Визначення коефіцієнта зчеплення колеса з дорогою та впливу на нього деяких факторів.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ЗЧЕПЛЕННЯ КОЛЕСА З ДОРОГОЮ ТА ВПЛИВУ НА НЬОГО ДЕЯКИХ ФАКТОРІВ

І Н С Т Р У К Ц І Я

до лабораторної роботи

для студентів базового напрямку 6.050503 " Машинобудування" з дисципліни “Експлуатаційні властивості автомобілів і тракторів” за фаховим скеруванням “Колісні та гусеничні транспортні засоби”.

Затверджено на засіданні

кафедри “Автомобілебудування”

протокол № 2 від 29.09.2008р.

Львів-2008

Визначення коефіцієнта зчеплення колеса з дорогою та впливу на нього деяких факторів.

Методичні вказівки до лабораторної роботи з дисципліни " Експлуатаційні властивості автомобілів і тракторів" для студентів базового напрямку 6.050503 " Машинобудування за фаховим скеруванням “Колісні та гусеничні транспортні засоби”.

Укладач О.Й. Гутта, канд.техн.наук, доцент

Відповідальний

за випсук Л.В.Крайник, д.т.н., проф.

Рецензенти

1. МЕТА І ЗАВДАННЯ РОБОТИ.

Метою роботи є вивчення факторів, що впливають на коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою, та методику його визначення.

Завданя полягає в тому, щоб дослідити вплив різних факторів на коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою.

Для виконання роботи студент повинен:

- знати основні фактори, що впливають на коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою;

- вміти обгрунтувати силову схему взаємодії коліс автомобіля з дорогою;

- отримати досвід практичного визначення коефіцієнта зчеплення колеса з дорогою.

2. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою визначається із виразу

(2.1)

де T_max – максимальна дотична реакція в зоні контакта;

G_k – нормальна реакція, що діє на колесо.

Для кожної шини коефіцієнт зчеплення визначають в двох взаємно перпендикулярних напрямках. Вимірюючи силу T_max, що діє на колесо в площині його обертання, визначають коефіцієнт зчеплення j в поздовжній площині, а вимірюючи силу T_max^/, що діє на колесо в напрямку перпендикулярному поступовому руху колеса, визначають коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою j^/ в поперечній площині.

Крім того, розрізнюють коефіцієнт зчеплення при коченні колеса без буксування і ковзання; коефіцієнт зчеплення при буксуванні; коефіцієнт зчеплення при юзі, що відповідає поздовжньому і поперечному напрямках руху колеса.

Під час дорожніх випробувань зчеплення шин з твердим покриттям дороги прийнято визначати методом буксирування автомобіля або спеціального візка при загальмовуванні коліс. В даному випадку реєструють силу тяги на гаку буксира або момент на колесах.

На дорогах з твердим вдосконалим покриттям коефіцієнт зчеплення визначається, в основному, тертям гуми по поверхні дороги, а на грунтових дорогах – поверхневих тертям і роботою, що затрачується на зрізання грунту.

На м’яких грунтах коефіцієнт зчеплення визначають при усталеному русі ведучого колеса з заданим процентом пробуксовування. Найбільш правильно в таких умовах визначати його вимірюванням момента, підведеного до колеса. На м’яких грунтах коефіцієнт зчеплення збільшується з підвищенням процента пробуксовування колеса із-за його занурювання в грунт.

Коефіцієнт зчеплення залежить від великого числа факторів, в першу чергу, від типа покриття і стану дороги, конструкції і матеріала шини, тиску повітря в ній, навантаження на колесо, швидкості руху, температурних умов, процента ковзання або пробуксовування колеса.

Коефіцієнт зчеплення є характеристикою взаємодії колеса з дорогою. При коченні

колеса по дорозі з твердим покриттям гума протектора деформується значно більше ніж матеріали покриття; тверді виступи дороги при цьому упроваджуються в опорну поверхню шини, що підвищує зчеплення колеса з дорогою. Але при цьому слід мати на увазі, що дуже велика шорсткість покриття приводить до зменшення коефіцієнта зчеплення.

На вологих і брудних покриттях плівка вологи або бруду знижує коефіцієнт зчеплення, при цьому останній тим менше, чим товще шар вологи між шиною і дорогою. Тому на мокрих дорогах коефіцієнт зчеплення визначається, головним чином, гідродинамічними властивостями рідкої плівки між шиною і опорною поверхнею, питомим тиском в контакті і в значно меншій степені, ніж на сухих дорогах, залежить від типа покриття.

Суттєвий вплив на коефіцієнт зчеплення має конструкція і матеріали шини. Зміною конструктивних параметрів шини (кута нахилу нитки корду, кривизни профіля, рисунка протектора, кривизни бігової доріжки) можна в досить широких межах змінювати співвідношення між питомими дотичними і нормальними силами, тобто змінювати напруженість, а тим самим і зчепленість елементів протектора з дорогою.

Шини, що мають меншу напруженість елементів протектора в контакті, володіють кращими зчіпними якостями. Зменшення напруженості елементів протектора в контакті досягається в першу чергу за рахунок правильного вибору кривизни бігової доріжки, збільшенням розчленування рисунку протектора, підвищенням еластичності каркаса. Це використовують при створенні шин з підвищеними зчепними якостями на вологих і слизьких дорогах.

Гума має здатність перетворювати в тепло більшу частину енергії, що затрачається на її деформацію. В процесі кочення колеса шина поглинає велику кількість енергії. При блокуванні колеса гістерезисні втрати в шині відносно невеликі. Досвід показує, що шини, які мають великі гістерезисні втрати, володіють і більш високим коефіцієнтом зчеплення. Коефіцієнт зчеплення у колеса, що котиться, вище ніж у заблокованого.

Коефіцієнт зчеплення змінюється із зміною навантаження на колесо і тиску повітря в шині. На твердих покриттях доріг збільшення навантаження на колесо приводить до зменшення коефіцієнта зчеплення. При цьому на засніженому ожеледі вплив навантаження на відносну зміну коефіцієнта зчеплення більший ніж на сухому або мокрому асфальті.

Зі збільшенням тиску повітря в шині коефіцієнт зчеплення спочатку підвищується, а потім починає зменшуватись. Для кожної шини є визначений тиск повітря, при якому вона має максимальний коефіцієнт зчеплення з дорогою. На м’яких опорних поверхнях коефіцієнт зчеплення зростає із зменшенням тиску повітря в шині завдяки збільшенню площі контакту і покращенню характеру взаємодії колеса з ґрунтом. Шини низького тиску мають більш високий коефіцієнт зчеплення з опорною поверхнею ніж шини високого тиску.

Коефіцієнт зчеплення залежить також від швидкості поступового руху колеса. Із збільшенням останньої, зменшується коефіцієнт зчеплення, при цьому на вологих покриттях більш інтенсивніше ніж на сухих. Зменшення коефіцієнта зчеплення з ростом швидкості руху пояснюється пружно-в’язкими деформаціями гуми протектора, які залежать від часу. При великих швидкостях руху гума протектора не встигає повністю зачіплятись за нерівності покриття. На вологих дорогах із збільшенням швидкості затрудняється витискання вологи елементами шини із зони контакту. В цьому випадку між шиною і дорогою утворюється шар рідини, який різко знижує коефіцієнт зчеплення. Слід відмітити, що із збільшенням швидкості зростає динамічна міцність рідинної плівки, тому її важко розірвати і усунути з контактуючих поверхонь.

Коефіцієнт зчеплення залежить від температури. Досліди показують, що із

збільшенням температури зчеплення протектора з бетонною поверхнею декілька зменшується, а з асфальтобетонним покриттям – збільшується.

Значний вплив на коефіцієнт зчеплення має степінь проковзування колеса відносно дороги, яка визначається за формулою

(2.2)

де V – швидкість поздовжнього ковзання; w_к – частота обертання колеса; r_к – радіус кочення колеса без ковзання.

Коефіцієнт зчеплення при частковому ковзанні або юзі під час гальмування автомобіля дуже впливає на стійкість і безпеку руху. При взаємодії шин з сухим і мокрим покриттям по мірі збільшення процента проковзування коефіцієнт зчеплення швидко досягає свого максимального значення, а потім починає зменшуватись.

В даній роботі визначається коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою в залежності від навантаження, тиску повітря в шині і виду дорожнього покриття для двох напрямків – поздовжнього і поперечного.

3. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ.

Дана лабораторна установка (рис.3.1) має основу, на якій встановлені дві стійки і пересувається рухомий візок. По стійках вверх і вниз пересувається рама, що має дві пари направляючих опор ковзання і кочення. На рамі закріплено колесо з шиною розміром 4.00-10, яке впирається на змінну опорну площадку, що встановлюється у візок.

Змінних опорних площадок є три, які імітують відповідно асфальтобетонне, бетонне і цементне покриття.

Колесо навантажується силою через раму 10 і тягу 13 з допомогою важеля 12 і наборних вантажів 11. Співвідношення між плечами важеля дорівнює 10 і вертикальне навантаження на колесо G_k визначається із виразу

G_k = 10·9, 81·M_в , (3.1)

де M_в – маса наборного вантажу, кг.

Повітря в камеру колеса нагнітається за допомогою ручного насосу 15 або компресора через трьохходовий кран 14, ручка якого повинна знаходитись для даного випадку в положенні I. При переводі вказаної ручки крана в положення III насос відокремлюється і тиск повітря контролюється завдяки взірцевому манометру 19, який включається в систему при повороті ручки крана в положення III. Якщо ручка трьохходового крану встановлена в положення II, то камера колеса від’єднується від насоса і манометра.

Зменшення тиску повітря в атмосферу здійснюється за допомогою крана 18.

На передній стінці візка закріплена пружна пластина 3, на один кінець якої впирається ніжка мікрометра 7. Крім того, в середину даної пластини впирається гвинтовий стрижень 2 з привідною ручкою, обертання якої здійснює переміщення візка.

4. ОБСЯГ І МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ.

4.1. Визначення коефіцієнта поздовжнього зчеплення заблокованого колеса з дорожнім покриттям (тип дорожнього покриття задає викладач).

4.1.1. Підйомом важеля колесо виважується і під нього встановлюють візок з опорною площадкою. Візок відтягується до упору його коліс в обмежувальну полосу на основі 1 (рис.3.1).

4.1.2. В опору вкручується гвинтова ручка до моменту доторкання з серединою пружної пластини. Колесо опускається на опорну площадку переміщенням ричагу вниз.

4.1.3. До вентиля трьохходового крана підключають ручний насос або компресор, а його ручку встановлюють в положення I і проводять підкачку колеса. Кран випуску повітря при цьому повинен бути закритим. Періодично, перемикаючи ручку крана в положення III, контролюють тиск повітря по манометру до тих пір, поки в камері колеса не встановиться тиск 0, 25 МПа. Якщо тиск повітря в камері буде більше 0, 25 МПа, то шляхом відкривання крана 18 зайве повітря випускають в атмосферу.

4.1.4. На кінці важеля підвішують вантажі масою до 5 кг. При цьому вертикальне навантаження на колесо визначиться за формулою (3.1).

4.1.5. Впевнившись, що гвинтова ручка не торкається пружної пластини, встановлюють з деяким невеликим натягом стрілку мікрометра в положення “0”.

4.1.6. Обертаючи плавно ручку гвинтового стрижня, створюють поздовжню силу, що намагається зсунути візок. Зростання вказаної сили спостерігають по відхиленню стрілки мікрометра. В таблицю результатів вимірів слід записати показання мікрометра в той момент, коли колесо почне ковзати по опорній площадці і стрілка мікрометра перестає повертатись в напрямку годинникової стрілки. Після цього обертанням ручки в зворотному напрямку повертають її в початкове положення.

4.1.7. Повторюють п.п.4.1.5 і 4.1.6 ще два рази, щоб для даного сполучення вертикального навантаження на колесо і тиску повітря отримати три результати вимірів.

4.1.8. Добавляючи послідовно вантажі на кінець важеля при одному тиску в камері шини для кожної порції вантажів проводять по три виміри поздовжнього зусилля. Максимальна маса вантажу не повинна перевищувати 20 кг. Бажано мати чотири значення вертикального навантаження на колесо.

4.1.9. Краном 18 зменшують тиск повітря до 0, 20 МПа і проводять всі виміри у відміченій вище послідовності (п.п.4.1.4 – 4.1.8).

4.1.10. В тій же послідовності проводять виміри при тисках повітря в камері шини 0, 15 і 0, 10 МПа.

4.2. Визначення коефіцієнта поперечного зчеплення заблокованого колеса з дорожнім покриттям.

4.2.1. Підйомом важеля виважують колесо і повертають візок на 90⁰, вкручуючи другий стрижень з ручкою в опору.

4.2.2. Для тих самих сполучень тисків повітря в камері шини і вертикальних навантажень на колесо, що були прийняті при визначенні коефіцієнта поздовжнього зчеплення колеса з дорогою, проводять аналогічний цикл вимірювань.

4.3. Оформлення результатів досліджень.

4.3.1. Результати вимірів переміщень d ніжки мікрометра, які пов’язані з деформацією пружної пластини і, відповідно, з зусиллям, що намагається пересунути візок, для випадку визначення коефіцієнта поздовжнього зчеплення колеса з дорогою заносимо в табл.4.1, а для випадку визначення коефіцієнта поперечного зчеплення – в табл.4.2. В ті ж таблиці вносять і відповідні їм тиски повітря в шині p_п і значення вертикальних зусиль на колесо G_к. За допомогою даних тарировки системи пружна пластина – мікрометр, які наведені на панелі приладів лабораторної установки, переводять значення переміщень, що визначені по шкалі мікрометра, у відповідні їм значення дотичних сил в контакті шини з дорожнім покриттям. По отриманих результатах будують графіки j (G_к) і j^/ (G_к) для різних тисків повітря в шині.

4.3.2. Звіт по лабораторній роботі повинен включати:

а) короткі теоретичні положення по даному питанню;

б) схему лабораторної установки її короткий опис;

в) результати роботи у вигляді відповідних таблиць і графіків;

г) висновки по результатах роботи.

4.3.3. Звіт оформляється з додержанням вимог до оформлення текстових документів і здається одразу же після закінчення роботи.

Таблиця 4.1.

Визначення коефіцієнта поздовжнього зчеплення колеса з дорогою

Таблиця 4.2.

Визначення коефіцієнта поперечного зчеплення колеса з дорогою

Навантаження на колесо (без вантажів) 240 Н

5. ЗАВДАННЯ НА САМОСТІЙНУ РОБОТУ.

Під час підготовки до лабораторної роботи студент повинен виконати наступне:

5.1. Вивчити відповідні розділи рекомендованої літератури і конспектів лекцій по курсам “Експлуатаційні властивості автомобілів і тракторів” і “Автомобілі” ч.1.

5.2. Вивчити дану інструкцію і підготувати звіт по роботі, залишив незаповненими лише таблиці, міліметрівку для побудови графіків і місце для висновків.

6. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

6.1. Для яких напрямків і випадків руху колеса визначають коефіцієнт зчеплення?

6.2. Як визначають значення коефіцієнта зчеплення при дорожніх випробуваннях?

6.3. Основні фактори, що впливають на значення коефіцієнта зчеплення.

6.4. Фізична природа зчеплення колеса з сухим твердим дорожнім покриттям.

6.5. Фізична природа зчеплення колеса з вологим або брудним дорожнім покриттям.

6.6 Вплив конструкції і матеріалу шини на коефіцієнт зчеплення.

6.7. Вплив зміни навантаження на колесо і тиску повітря в шині на коефіцієнт зчеплення.

6.8. Вплив швидкості поступового руху колеса і температури на коефіцієнт зчеплення.

6.9. Як залежить коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою від степені його проковзування?

7. РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА.

1. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. – М.: Машиностроение, 1989. – 240 с.

Інструкція до лабораторної роботи з курсів “Експлуатаційні властивості автомобілів і тракторів” та “Автомобілі” ч.I для студентів спеціальностей 7.090211 “Колісні та гусеничні транспортні засоби” та 7.090215 “Автомобілі і автомобільне господарство”.

(Укл. О.Й. Гутта. – Львів: Вид-во Держ. ун-ту “Львівська політехніка”, 2000. - с.

Укладач О.Й. Гутта, канд.техн.наук, доцент

Відповідальний

за випсук Р.М. Гарматій, асистент

Рецензенти Р.М. Гарматій, асистент

С.М.Назаркевич, асистент

НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ