 |
|
ДОСЛІДЖЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ОПОРУ КОЧЕННЮ ТА СУМАРНОГО ОПОРУ ДОРОГИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
“ДОСЛІДЖЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ОПОРУ КОЧЕННЮ ТА СУМАРНОГО ОПОРУ ДОРОГИ”
І Н С Т Р У К Ц І Я
до лабораторної роботи
з дисципліни “Динаміка автомобіля” для студентів спеціальності 7.090211
“Колісні та гусеничні транспортні засоби”
Затверджено на засіданні
кафедри “Автомобілебудування”
протокол № 1 від 06.09.1999р.
Львівська політехніка
Львів, 2000
Інструкція до лабораторної роботи “Дослідження коефіцієнтів опору коченню та сумарного опору дороги”.
для студентів спеціальності 7.090211 “Колісні та гусеничні транспортні засоби”.
Львів: Вид-во Держ. ун-ту “Львівська політехніка”, 2000р.
Укладач: В.М.Хрунь, доц.,канд.техн.наук
Відповідальний
за випуск Р.М.Гарматій, асистент
Рецензенти: О.Й.Гутта, доц.,канд.техн.наук
С.М.Назаркевич, асистент
1. МЕТА І ЗАДАЧІ РОБОТИ.
Метою роботи є вивчення факторів, що впливають на коефіцієнти опору коченню та сумарного опору дороги, а також методики визначення цих факторів.
Задачею роботи є дослідження впливу різних факторів на коефіцієнти опору коченню та сумарного опору дороги.
В результаті виконання роботи студент повинен:
- знати основні фактори, які впливають на коефіцієнти опору коченню і сумарного опору дороги;
- вміти обгрунтувати силову схему взаємодії автомобіля з дорогою;
- отримати навики практичного визначення коефіцієнтів опору коченню і сумарного опору дороги.
2. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ.
Взаємодія дороги і автомобіля супроводжується витратою енергії на подолання опору коченню коліс (шин) по дорозі і піднімання автомобіля при русі на підйом (рис.2.1.).
 |
Рис.2.1. Схема силової взаємодії автомобіля з дорогою при русі
на підйом
Опір коченню колеса по дорозі є наслідком витрати енергії на:
- гістерезисні (внутрішні) втрати в шині;
- подолання поверхневого тертя ковзання шини по дорозі;
- утворення колії;
- подолання опору в підшипниках маточини колеса;
- подолання опору повітря обертанню коліс;
- подолання присмоктування елементів протектора до дороги;
- подолання додаткового опору, викликаного коливаннями коліс на нерівній дорозі.
Гістерезисні витрати в шині при її деформації викликані виникненням сил внутрішнього тертя в матеріалі шини, який не є ідеально пружним. В автомобільному колесі, що котиться по дорозі, виникають складні деформації: радіальна і бокова, викликані дією вертикального навантаження, та колова, викликана дією обертового моменту у приводному колесі, гальмового моменту у гальмовому колесі і моменту опору коченню у веденому колесі. При виході із зони контакту шини з дорогою її деформовані волокна повертаються в початкове положення, однак в результаті внутрішнього тертя в шині енергія, яка витрачена на їх деформацію, повертається не повністю. Тобто, процес пружного деформування шини з наступним відновленням початкової форми супроводжується гістерезисом (витратою енергії).
Колова деформація шини супроводжується її проковзуванням відносно поверхні дороги в напрямі руху у веденого і гальмового коліс і в протилежному напрямі у приводному колесі. Проковзування шини викликається також дотичним зсувом грунту, особливо при русі по вологій і м’якій дорозі.
При русі по м’якій дорозі значна частина енергії витрачається на утворення колії. Чим м’якша дорога, тим більша її деформація і менша деформація шини. При цьому зменшується гістерезисні втрати в шині, однак збільшуються витрати на утворення колії. При інших рівних умовах опір коченню по м’якій дорозі більший, ніж по твердій, тому що затрати енергії на утворення колії не компенсується зменшенням гістерезисних втрат в шині.
Опір руху, що визначається тертям в підшипниках маточини колеса, в значній мірі залежить від їх технічного стану. При технічно справних і відрегульованих підшипникових вузлах опір руху, що визначається виникаючим в них тертям, залежить, в основному, тільки від типу підшипників і діючого на колесо навантаження.
Опір повітря обертанню коліс впливає на загальний опір коченню тільки при відносно великих швидкостях руху і при використанні коліс з великими грунтозачепами.
Присмоктування елементів протектора до поверхні дороги проявляється в шинах з густим візерунком протектора і, особливо, при русі по мокрій дорозі.
На опір коченню значно впливають нерівності дороги, що являють собою почергову зміну наступаючих одних за другими виступів і впадин, висота або глибина і довжина яких мають випадковий характер.
Рух автомобіля по дорозі з нерівним мікропрофілем супроводжується неперервними ударами коліс, що викликає додаткові деформації шин, а також коливаннями непідресорених та підресорених мас. В результаті відбувається додаткове розсіювання енергії в шинах і вузлах підвіски, яке може досягти значної величини. Ці втрати зменшуються при правильному виборі амортизаторів та жорсткостей шин і підвіски.
В залежності від типу і стану опорної поверхні, конструкції та жорсткості шин і підвіски, режиму кочення колеса змінюються частки різних складових опору коченню. Так, наприклад, для веденого колеса основною складовою опору коченню є гістерезисні втрати, а для приводного і гальмового колеса при передачі значних моментів – втрати на подолання тертя в контакті, при русі по м’якій дорозі основною складовою опору коченню є втрати на утворення колії, а при русі по розбитій дорозі дуже значними є втрати на подолання додаткового опору, викликаного коливаннями коліс.
Через складність роздільного врахування кожного фактора опір коченню коліс автомобіля визначають за сумарними витратами енергії, оцінку яких проводять з допомогою коефіцієнта опору коченню.
Цей коефіцієнт визначається за формулою
(2.1.)
де Pf - найменша сила, що здатна забезпечити рівномірне кочення коліс автомобіля із від’єднаною трансмісією по горизонтальній ділянці дороги;
Ма × g – вага автомобіля.
На коефіцієнт опору коченню впливають:
- тип і стан поверхні дороги;
- тип, конструкція і матеріал шини;
- тиск повітря в шині;
- температура шини;
- кут нахилу колеса до вертикалі;
- вертикальне та поперечне навантаження;
- момент, що передається через колесо;
- швидкість руху.
Тип і стан поверхні дороги значно впливають на втрати, що викликаються її деформацією і виникаючими при коченні колеса динамічними навантаженнями. Чим більше деформованість дорожного покриття, тим більший опір коченню. При русі по м’яких грунтах опір коченню викликається, в основному, витратами енергії на утворення колії. По мірі зволоження м’якого грунту (за винятком піску), опір коченню росте, тому що колія стає глибшою. Якщо на поверхні дороги наявні водяна плівка або рідке болото, то опір коченню зростає із-за гідравлічних витрат на витиснення цієї плівки і збільшення просковзування шини по дорозі. В залежності від типу і особливо, стану дорожного покриття змінюється динамічні навантаження на колеса автомобіля. Під дією цих навантажень виникають коливні процеси в підвісці та шинах автомобіля, що приводить до додаткового розсіювання енергії і збільшення опору руху.
Якісні характеристики автомобільних доріг в залежності від типу і стану їх поверхні змінюються в дуже широкому діапазоні. Звідси і широкий діапазон зміни коефіцієнта опору коченню: від 0,007 при русі по цементно-бетонному шосе в доброму стані до 0,30 при русі по сухому піску і рихлому снігу.
Тип, конструкція і матеріал шини суттєво впливають на значення коефіцієнта опору коченню. При швидкостях до 35 м/с менший опір коченню створюють радіальні шини в порівнянні з діагональними. Коефіцієнт опору коченню зменшується при зменшенні відношення висоти Н профіля шини до її ширини В.
Із збільшенням ширини колеса коефіцієнт опору коченню незначно зростає по дорогах з твердим покриттям і суттєво знижується при русі по деформовуваних опорних поверхнях.
Збільшення діаметра колеса приводить до зменшення коефіцієнта опору коченню, малозначного при русі по рівних дорогах з твердим покриттям, замітного при русі по дорогах з нерівним мікропрофілем і значного при русі по деформовуваних опорних поверхнях. Зменшення товщини протектора зменшує коефіцієнт опору коченню. У зв’язку із цим по мірі зношення шин опір коченню падає. В результаті цього, а також через зменшення опору повітря обертанню коліс зниження опору коченню при повністю зношеному протекторі досягає 20% в порівнянні із новим.
Коефіцієнт опору коченню зменшується також при використанні матеріалів з малим внутрішнім тертям, що приводить до зменшення гістерезисних втрат.
На різних дорогах коефіцієнт опору коченню по різному залежить від тиску в шині. На дорогах з твердим покриттям коефіцієнт опору коченню зменшується по мірі збільшення тиску в шині, завдяки зменшенню її деформації. Мінімальне значення коефіцієнта досягається при номінальному тиску, який рекомендується для даної шини при заданому навантаженні. При тисках, що перевищують номінальне значення, коефіцієнт опору коченню, як правило, зростає завдяки збільшенню динамічних навантажень, що передаються через колеса, в результаті чого збільшується дисипація енергії при коливаннях. На дорогах з м’ягкою поверхнею зменшення тиску в шині також приводить до збільшення втрат, зв’язаних з деформацією шини, однак при цьому завдяки зменшенню колії зменшуються втрати, зв’язані з деформацією поверхні дороги. Результуюча зміна коефіцієнта опору коченню буде залежати від співвідношення цих двох факторів. Тому для доріг з м’якою поверхнею існує оптимальний з точки зору опору коченню тиск в шині, при якому коефіцієнт опору буде найменшим.
Зі збільшенням температури шини коефіцієнт опору коченню зменшується завдяки зменшенню деформації шини, викликаного збільшенням внутрішнього тиску, та зменшенню гістерезисних втрат.
Опір коченню колеса збільшується при нахилі колеса до вертикалі, тому що при цьому виникає поперечна деформація шини і збільшуються втрати на тертя. Залежність коефіцієнта опору коченню від кута нахилу колеса до вертикалі лінійна.
Аналогічний, однак більш замітний вплив на коефіцієнт опору коченню має кочення колеса з боковим відведенням, що має місце при дії на нього поперечного навантаження. Залежність коефіцієнта опору коченню від кута бокового відведення квадратична.
На дорогах з твердим покриттям коефіцієнт опору коченню змінюється несуттєво при зміні вертикального навантаження в межах 80...110% від номінального для даної шини і замітно зростає при дальшому перевантаженні. На дорогах з деформовуваним покриттям коефіцієнт опору коченню значно зростає зі збільшенням вертикального навантаження.
При збільшенні моменту, що передається через колесо, коефіцієнт опору коченню зростає як внаслідок збільшення втрат на внутрішнє тертя при коловій деформації шини, так і внаслідок збільшення роботи тертя ковзання в контакті шини з дорогою.
При збільшенні швидкості руху коефіцієнт опору коченню збільшується: незначно при зміні швидкості від нуля до 20...30 м/с і значно інтенсивніше при більших швидкостях. При русі по нерівних дорогах замітне зростання коефіцієнта опору коченню спостерігається починаючи із середніх швидкостей (» 10 м/с).
При відомому значенню коефіцієнта опору коченню визначається сила опору коченню. В загальному випадку зв’язок між цими величинами визначається формулою
(2.2)
де Pf – сила опору коченню;
a - кут підйому дороги.
На схилі поряд із силою опору коченню на автомобіль діє сила опору підйому, яка визначається за формулою
(2.3)
На горизонтальній ділянці дороги сила Рі = 0. При від’ємних значеннях кута підйому (рух із схилу) сила опору підйому Рі набуває від’ємного значення і стає рушійною.
Сума сил Pf і Рі називається силою сумарного опору дороги
(2.4)
Коефіцієнт в дужках для заданого типу шин характеризує сумарний опір дороги, обумовлений її профілем, покриттям, технічним станом. Тому його називають коефіцієнтом сумарного опору дороги і позначають
(2.5)
На автомобільних дорогах з твердим покриттям кути підйому невеликі і не перевищують a = 4...50. Нормативним показником негоризонтальної ділянки дороги є величина і – ухил дороги, який являє собою відношення різниці її висот (відміток) Н на віддалі S одна від одної до величини цієї віддалі, тобто і = tga.
Для вказаних значень кутів a cosa » 1, а sina » і, виходячи із того, що ухил і = 0,01 відповідає куту a = 35/. Звідси
(2.6)
Величину коефіцієнтів опору коченню та сумарного опору дороги визначають шляхом лабораторних або дорожніх випробувань. З допомогою тягача буксирують автомобіль або візок, що вільно котяться, через динамометричну зчіпку. Для виключення або зменшення впливу опору в трансмісії демонтуються півосі або хоча б від’єднується карданний вал. Випробування ведуть з невеликою швидкістю (» 3 м/с), щоби виключити вплив опору повітря. Згідно рівняння тягового балансу при рівномірному русі тягова сила на гаку рівна
(2.7)
Виходячи із рівнянь (2,4), (2,5) і (2,7), експериментальне значення коефіцієнта сумарного опору дороги визначають за формулою
(2.8)
Для визначення коефіцієнта опору коченню аналогічні випробування проводять на горизонтальній ділянці дороги, розраховуючи при цьому за формулою (2.8) коефіцієнт f замість y.
3. ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО ОБЛАДНАННЯ
Схема установки для визначення коефіцієнтів опору коченню та сумарного опору дороги зображена на рис.3.1.
 |
1 – лабораторний стіл; 2,3 – опорні площадки; 4 – бетонне покриття; 5 – бруківка; 6 – поперечина; 7 – вертикальні стійки; 8 – опора; 9 – одновісний візок; 10 – змінні вантажі.
Рисунок 3.1. Схема установки для визначення коефіцієнтів опору коченню та сумарного опору дороги.
На лабораторному столі I установлені опорні площадки 2 і 3, одна із яких заповнена бетоном 4, а інша покрита бруківкою 5. Для установки площадок з нахилом служить поперечина 6, яка поперемінно вставляється в отвори А, Б, В, Г, Д вертикальних стійок 7 і виконує роль змінної опори для одного із кінців опорної площадки, забезпечуючи при цьому нахил під кутами 20, 40, 60, 80 і 100 відповідно. Другим кінцем опорна площадка спирається в опору 8.
Вимірювання сил опору коченню і сумарного опору дороги проводиться з допомогою одновісного візка 9, на платформу якого встановлюються змінні вантажі 10, і динамометра 11.
4. ОБ’ЄМ І МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАНЬ.
4.1. Встановити візок на опорну площадку з бетонним покриттям і, навантаживши його одним вантажем масою Мв = 30 кг, через динамометр протягнути з рівномірною швидкістю вздовж площадки. Зафіксувати показ динамометра. Встановити візок на цю ж опорну площадку в протилежному напрямку і, протягнувши його з рівномірною швидкістю, знову зафіксувати показ динамометра. Визначити середнє значення показів динамометра і за формулою (2.8) розрахувати експериментальне значення коефіцієнта опору коченню. При розрахунку необхідно врахувати власну масу візка Мв = 2 кг.
4.2. Довантаживши візок ще одним вантажем масою Мв = 30 кг, повторити випробування по п.4.1.
4.3. Повторити випробування по п. 4.1 і 4.2 на опорній площадці з бруківкою.
4.4. Порівняти результати випробувань по п.4.1 і п.4.2 між собою, а також по п.4.3 і зробити висновок про вплив вертикального навантаження на коефіцієнт опору коченню.
4.5. Встановити одну із опорних площадок (за вказівкою викладача) з нахилом 20 і через динамометр протягнути по ній під гору з рівномірною швидкістю візок, навантажений одним або двома вантажами масою Мв = 30 кг (за вказівкою викладача). Випробування повторити при кутах підйому 40, 60, 80 і 100. Нахил опорної площадки під вказаними кутами забезпечується установкою одного із її кінців на поперечину 6, встановлену в отвори А, Б, В, Г і Д вертикальних стійок 7 відповідно. Другим кінцем опорна площадка повинна опиратися в опору 8.
4.6. За формулою (2.8) розрахувати експериментальні значення коефіцієнта сумарного опору дороги для кожного кута підйому та побудувати графік залежності y(a) або y(і) .
4.7. За формулою (2.5) або (2.6) визначити теоретичні значення коефіцієнта сумарного опору дороги для кожного кута підйому та побудувати графік залежності y(a) або y(і) . Зробити висновок про вплив величини кута підйому на коефіцієнт сумарного опору дороги.
5. ЗАВДАННЯ НА САМОСТІЙНУ РОБОТУ.
В процесі підготовки до лабораторної роботи студент повинен виконати наступне:
5.1. Вивчити відповідні параграфи рекомендованої літератури і конспекта лекцій з курсів “Експлуатаційні властивості автомобіля і трактора” і “Динаміка автомобіля”.
5.2. Вивчити дану інструкцію і підготовити звіт по роботі, залишивши незаповненими лише таблицю результатів вимірювань та розрахунків, міліметровку для побудови графіка і місце для висновків.
6. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ.
6.1. Якими чинниками визначається опір коченню колеса по дорозі?
6.2. Чим пояснюється наявність гістерезисних втрат в шині?
6.3. В чому принципова різниця у формуванні опору коченню при русі по твердій та м’якій дорогах?
6.4. В чому причина виникнення додаткового опору коченню, викликаного коливаннями коліс на нерівній дорозі?
6.5. Що розуміють під поняттям “Коефіцієнт опору коченню”?
6.6. Що розуміють під поняттям “Коефіцієнт сумарного опору дороги”?
6.7. Які фактори впливають на значення коефіцієнта опору коченню?
6.8. Які фактори впливають на значення коефіцієнта сумарного опору дороги?
6.9. Як впливає на коефіцієнт опору коченню тип і стан поверхні дороги?
6.10. Чому при русі по м’ягкій дорозі коефіцієнт опору коченню еластичної шини менший, чим жорсткої шини?
6.11. Як впливає на коефіцієнт опору коченню тип, конструкція і матеріал шини?
6.12. В якому діапазоні змінюється коефіцієнт опору коченню на різних типах доріг?
6.13. Чому шини зі зношеним протектором мають менший коефіцієнт опору коченню в порівнянні з аналогічними новими шинами?
6.14. Як впливає на коефіцієнт опору коченню тиск в шинах?
6.15. Чому змінюється оптимальне з точки зору зменшення опору коченню значення тиску в шині для різних доріг з м’якою поверхнею?
6.16. Як змінюється коефіцієнт опору коченню із ростом температури шини?
6.17. Як впливає на коефіцієнт опору коченню кут нахилу колеса до вертикалі?
6.18. Як і чому впливає на коефіцієнт опору коченню поперечне навантаження?
6.19. Як впливає на коефіцієнт опору коченню вертикальне навантаження?
6.20. Як впливає на коефіцієнт опору коченню момент, що передається через колесо?
6.21. Як змінюється коефіцієнт опору коченню зі зміною швидкості руху?
6.22. Який взаємозв’язок існує між силою та коефіцієнтом опору коченню?
6.23. Який взаємозв’язок існує між силою та коефіцієнтом сумарного опору дороги?
6.24. Чи може коефіцієнт сумарного опору дороги приймати від’ємне значення? Чому?
6.25. В яких випадках допустиме використання спрощеної формули для розрахунку коефіцієнта сумарного опору дороги?
7. ПОРЯДОК ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ.
7.1. Звіт повинен містити:
- короткі теоретичні положення;
- схему лабораторної установки та її короткий опис;
- результати роботи у виді таблиці і графіка;
- висновки по результатах роботи.
7.2. Результати вимірювань та розрахунків заносяться в таблицю і будується графік залежності y(a) або y(і ).
Таблиця 7.1.
Результати вимірювань та розрахунків
| Досліджуваний показник | Значення сили опору Ркр, Н | Коефіцієнт опору | |||||||
| експериментальне значення | теоретичне значення | % розбіжності між теоретичним та експериментальним значеннями | |||||||
| Бетонне покриття | Бруківка | Бетонне покрит-тя | Бруківка | Бетонне покриття | Бруківка | Бетонне покриття | Бруківка | ||
| Опір коченню по горизонтальній дорозі при навантаженні Мв = 30 кг Мв = 60 кг | |||||||||
| Сумарний опір дороги при куті підйому a = 20 a = 40 a = 60 a = 80 a = 100 | |||||||||
7.3. Звіт оформляється з додержанням вимог до оформлення навчальних текстових документів і здається зразу ж після закінчення роботи.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Литвинов А.С., Фаробин Я.Є. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств. – М.: Машиностроение, 1989. – 238 с.
2. Иларионов В.А. Эксплуатационные свойства автомобиля. – М.: Машиностроение, 1966. – 280 с.
3. Фалькевич Б.С. Теория автомобиля. – М.: Машгиз, 1963. – 239 с.
4. Цимбалин В.Б. и др. Испытание автомобиля. – М.: Машиностроение, 1978. – 199с.
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
ДОСЛІДЖЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ОПОРУ КОЧЕННЮ ТА СУМАРНОГО ОПОРУ ДОРОГИ
І Н С Т Р У К Ц І Я
до лабораторної роботи
з дисципліни “Динаміка автомобіля” для студентів спеціальності 7.090211 “Колісні та гусеничні трансопртні засоби”
Укладач Хрунь Василь Максимович