Влияние износа рисунка протектора беговой дорожки шины на ее сцепные свойства при торможении на стенде в блоковом режиме Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оригинальная статья / Original article УДК 629.113.001

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-9-205-213

ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА РИСУНКА ПРОТЕКТОРА БЕГОВОЙ ДОРОЖКИ ШИНЫ НА ЕЕ СЦЕПНЫЕ СВОЙСТВА ПРИ ТОРМОЖЕНИИ НА СТЕНДЕ В БЛОКОВОМ РЕЖИМЕ

© А.И. Федотов1, А.С. Марков2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Провести экспериментальное исследование влияния износа рисунка протектора беговой дорожки шины на реализованный коэффициент сцепления с опорными поверхностями стенда при варьировании величины нормальной нагрузки. МЕТОДЫ. Исследования выполнялись на стенде модульной конструкции, позволяющем измерять нормальные и касательные реакции эластичной шины с опорными поверхностями. РЕЗУЛЬТАТЫ. Установлено снижение коэффициента сцепления эластичной шины автомобильного колеса при торможении в блоковом режиме на плоской опорной поверхности на 35,3% при увеличении износа рисунка протектора от 10 до 90%. При торможении колеса на одном опорном ролике стенда и износе протектора от 10 до 90% снижение коэффициента сцепления составляет 18%. При торможении колеса на двух опорных роликах стенда снижение коэффициента сцепления составляет: 23,8% - на переднем ролике, 48,4% - на заднем опорном ролике стенда, при увеличении износа рисунка протектора от 10 до 70%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В результате проведенных экспериментальных исследований установлена зависимость коэффициента сцепления эластичной шины при торможении заблокированного колеса на плоской опорной поверхности и на одном или двух опорных роликах от степени износа рисунка его протектора и изменения нормальной нагрузки.

Ключевые слова: эластичная шина, беговая дорожка, коэффициент сцепления, продольные и касательные реакции, длина пятна контакта, износ рисунка протектора.

Информация о статье. Дата поступления 14 июня 2018 г.; дата принятия к печати 27 августа 2018 г.; дата онлайн-размещения 28 сентября 2018 г.

Формат цитирования. Федотов А.И., Марков А.С. Влияние износа рисунка протектора беговой дорожки шины на ее сцепные свойства при торможении на стенде в блоковом режиме // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 9. С. 205-213. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-9-205-213

EFFECT OF TIRE TREAD PATTERN WEAR ON TIRE GRIP UNDER TEST BENCH BRAKING IN A LOCKED MODE

A.I. Fedotov, A.S. Markov

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation

ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to carry out an experimental study of the effect of the tire tread pattern wear on the implemented coefficient of adhesion to the support surfaces of the test bench under the variation of normal load value. METHODS. The studies were performed on the test bench of modular design, which allows to measure the normal and tangential reactions of the elastic tire with support surfaces. RESULTS. It has been determined that the increase of the tire tread pattern wear from 10 to 90% reduces the adhesion coefficient of the automobile wheel elastic tire by 35.3% when braking in the locked mode on a flat support surface. When the wheel brakes on one support roller of the test bench and the tread wear is from 10% to 90% the adhesion coefficient reduces by 18%. When the wheel brakes on two

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильного транспорта, e-mail: [email protected]

Alexander I. Fedotov, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobile Transport, e-mail: [email protected]

2Марков Алексей Сергеевич, аспирант, e-mail: [email protected] Alexey S. Markov, Postgraduate student, e-mail: [email protected]

support rollers of the test bench the coefficient of adhesion makes 23.8% on the front roller and 48.4% on the rear support roller of the stand, with an increase in the wear of the tread pattern from 10% to 70%. CONCLUSION. The conducted experimental studies allowed to determine the dependence of the adhesion coefficient of the elastic tire on the wear degree of the tire tread pattern and the variation of normal load under the locked wheel braking on the flat support surface and one or two support rollers.

Keywords: elastic tire, tire tread, coefficient of adhesion, longitudinal and tangential reactions, contact patch length, tread pattern wear

Information about the article. Received June 14, 2018; accepted for publication August 27, 2018; available online September 28, 2018.

For citation. Fedotov A.I., Markov A.S. Effect of tire tread pattern wear on tire grip under test bench braking in a locked mode. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 22, no. 9, pp. 205-213. DOI: 10.21285/1814-35202018-9-205-213 (In Russian)

Введение

Ежегодно в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) гибнут десятки тысяч человек, что наносит значительный ущерб экономике страны. Около 10% от общего числа ДТП происходит по причине неисправности тормозной системы автотранспортных средств (АТС). Преобладающая часть ДТП сопровождается процессом торможения [1]. Качество технического состояния тормозной системы влияет на обеспечение тормозной эффективности и устойчивости при торможении АТС. Оценочными показателями эффективности рабочей тормозной системы в условиях дорожного контроля являются установившееся замедление и тормозной путь. Главным параметром этих показателей является коэффици-

ент сцепления.

В соответствии с требованиями технического регламента ТР ТС 018-20113 в процессе проведения технического осмотра АТС проверяется остаточная высота рисунка протектора беговой дорожки шины. Для АТС категории М1 эта величина составляет 1,6 мм, для категории М2 - 2,0 мм, для категорий N1, N2, N3 - 0,8 мм. Однако в настоящее время в публикациях и научной литературе нет актуализированной информации о том, как изменяется коэффициент сцепления эластичной шины в процессе эксплуатации и как это сказывается на показателях тормозной эффективности АТС [2].

Описание методики проведения эксперимента

Для изучения данного вопроса в лаборатории кафедры «Автомобильный транспорт» Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) группой ученых разработан стенд модульной конструкции, позволяющий изучать процессы, протекающие в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью. При этом конструкция стен-

да позволяет исследовать процесс взаимодействия шин с одним или двумя опорными роликами и с плоской опорной поверхностью (рис. 1). Стенд оснащен системой измерения суммарной тормозной силы и системой измерения касательных и нормальных реакций, распределенных по длине пятна контакта эластичной шины с опорной поверхностью [3].

3ТР ТС 018-2011. О безопасности колесных транспортных средств: технический регламент Таможенного союза; утв. решением Комиссии Таможенного союза от 09.12.2011 г. № 677 / TR TS 018-2011. On the safety of wheeled vehicles: technical regulations of the Customs Union; approved by the decision of the Commission of the Customs Union of 9 December 2011 no. 677.

b

Рис. 1. Общий вид стенда модульного типа для исследований процессов в пятне контакта эластичной шины с плоской опорной поверхностью (а) и опорными роликами (b) Fig. 1. General view of the modular type test bench to study the processes in the contact patch of an elastic tire with a flat support surface (а) and support rollers (b)

Кинематическая схема стенда представлена на рис. 2. Плоская опорная поверхность стенда (рис. 2, а) совершает линейное поступательное движение относительно жестко закрепленной шины со скоростью от 0 до 1,1 м/с. Колесо в сборе с эластичной шиной заблокировано и находится в неподвижном состоянии (шк = 0 рад/с). В поверхность опорной площадки стенда вмонтирован тензометрический датчик, представляющий собой пластину с наклеенными на нее тензорезисторами. Датчик входит в состав системы измерения продольных и касательных реакций, рас-

пределенных по длине пятна контакта эластичной шины с плоской опорной поверхностью стенда [3, 4].

Кинематическая схема стенда для исследования процесса торможения эластичной шины на цилиндрических опорных роликах представлена на рис. 2, Ь. Конструкция стенда позволяет дискретно смещать колесо в продольном направлении относительно опорных роликов, что позволяет проводить исследования как на одном, так и на двух опорных роликах при размещении колеса со смещением относительно оси симметрии опорных роликов.

b

Рис. 2. Кинематическая схема стенда модульного типа для исследования процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины с плоской опорной поверхностью (а)

и опорными роликами (b) Fig. 2. Kinematic scheme of the modular type test bench for studying the processes occurring in the contact patch of the elastic tire with a flat support surface (a) and support rollers (b)

Привод стенда обеспечивает равномерное вращение роликов с угловой скоростью шр =11 рад/с. При этом колесо с эластичной шиной заблокировано и находится в неподвижном состоянии (шк = 0 рад/с), что позволяет исследовать

процесс торможения заблокированного колеса. В поверхность каждого опорного ролика стенда вмонтированы тензометриче-ские датчики, позволяющие измерять продольные и касательные реакции, распределенные по длине пятна контакта эла-

а

стичной шины с роликами стенда.

Исследования проводились с шинами марки BridgeStone Sneaker размером 185/75 R14 88S, отличающимися друг от друга величиной износа рисунка протектора беговой дорожки шины (рис. 3). В процессе исследования нагрузку на колесо дискретно изменяли в пределах от 1750 до

4750 Н, давление в шине поддерживали на уровне 0,21 МПа [5]. Для снижения влияния на процесс торможения изменяющейся температуры в пятне контакта трущихся тел, с учетом результатов, представленных в работе [4], между экспериментами выдерживалось время, необходимое для остывания опорной поверхности.

b

Рис. 3. Шины, используемые в экспериментальных исследованиях: а - с износом 10%; b - с износом 90% Fig. 3. Tires used in experimental studies: a - with 10% wear; b - with 90% wear

а

Результаты исследований

Результаты исследования процесса торможения заблокированного колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности стенда представлены на рис. 4.

Анализ полученных результатов показал, что с увеличением степени износа рисунка беговой дорожки протектора шины коэффициент ее сцепления с плоской опорной поверхностью снижается. Максимальное снижение коэффициента сцепления составило 35,3% при нагрузке 4750 Н.

Результаты торможения заблокированного колеса на одном опорном ролике стенда при изменении степени износа рисунка протектора и нормальной нагрузки представлены на рис. 5. Максимальное снижение коэффициента сцепления шины, имеющей износ 90%, по сравнению с ши-

ной, имеющей износ 10%, составило 18% при нагрузке 1750 Н.

На следующем этапе было проведено исследование изменения коэффициента сцепления шины тормозящего заблокированного колеса на поверхностях двух опорных роликов стенда (рис. 6).

Установлено, что снижение коэффициента сцепления для шины с износом 70% относительно шины, имеющей износ 10%, на переднем ролике стенда составило 23,8% при нормальной нагрузке на колесо 2250 Н. Для заднего опорного ролика максимальное снижение коэффициента сцепления при этой же степени износа рисунка протектора составило 48,4% при нагрузке на колесо 1750 Н.

Рис. 4. Зависимость коэффициента сцепления шины BridgeStone Sneaker размером 185/75 R14 88S при торможении заблокированного колеса на плоской опорной поверхности от степени износа рисунка протектора и изменения нормальной нагрузки Fig. 4. Dependence of the adhesion coefficient of the BridgeStone Sneaker tire of 185/75 R14 88S size under the locked wheel braking on a flat support surface on the wear pattern of the tread pattern and the normal load change

Рис. 5. Зависимость коэффициента сцепления шины BridgeStone Sneaker размером 185/75 R14 88S при торможении заблокированного колеса на одном опорном ролике стенда от степени износа рисунка протектора и изменения нормальной нагрузки Fig. 5. Dependence of the adhesion coefficient of the BridgeStone Sneaker tire of 185/75 R14 88S size under the locked wheel braking on one cylindrical support surface of the test bench on the wear degree of the tread pattern and the normal load change

b

Рис. 6. Зависимость коэффициента сцепления шины BridgeStone Sneaker размером 185/75 R14 88S при торможении заблокированного колеса на двух опорных роликах от степени износа рисунка протектора и изменения нормальной нагрузки: а - на переднем опорном ролике; b - на заднем опорном ролике Fig. 6. Dependence of the adhesion coefficient of the BridgeStone Sneaker tire of 185/75 R14 88S size under the locked wheel braking on two cylindrical support surfaces on the wear degree of the tread pattern and the normal load change

Заключение

Таким образом, в результате исследования установлено, что изменение нормальной нагрузки оказывает относительно малое влияние на величину коэффициента сцепления эластичной шины как с плоской опорной поверхностью, так и с цилиндрическими опорными роликами.

Результаты проведенных исследований показали, что степень износа рисун-

ка протектора эластичной шины заблокированного тормозящего колеса значительно влияет на коэффициент сцепления этой шины с опорной поверхностью. При большем износе шины ее коэффициент сцепления с опорной поверхностью снижается. Этот результат коррелирует с результатами, полученными ранее, и гармонично их дополняет [4-7].

Автомобильная шина заблокированного колеса нестабильна к созданию продольных касательных реакций, и величина коэффициента сцепления носит стохастический характер [8, 9].

При торможении заблокированного колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности увеличение степени износа рисунка его протектора от 10 до 90% приводит к снижению коэффициента сцепления на 35,3%.

При торможении заблокированного колеса с эластичной шиной на одном опорном ролике увеличение степени износа рисунка его протектора от 10 до 90% приводит к снижению коэффициента сцепления на 18%.

При торможении заблокированного колеса с эластичной шиной на двух опорных роликах увеличение степени износа

1. Показатели состояния безопасности дорожного движения [Электронный ресурс] // Госавтоинспекция. URL: http://stat.gibdd.ru/ (25.04.2018).

2. Петров М.А. Работа автомобильного колеса в тормозном режиме. Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1973. 224 с.

3. Бойко А.В., Яньков О.С., Марков А.С., Кузнецов Н.Ю. Стенд для исследования процесса взаимодействия эластичной шины с двумя беговыми барабанами // Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера: конструкция, эксплуатация, экономика: материалы 90-й Междунар. науч.-техн. конф. (Иркутск, 9-10 апреля 2015 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. С. 115-123.

4. Федотов А.И., Марков А.С., Яньков О.С., Овчинникова Н.И. Влияние износа рисунка протектора беговой дорожки шины на характеристики ее сцепления с опорной поверхностью // Вестник ИрГТУ. 2017. Т. 21. № 11. С. 216-225. DOI: 10.21285/18143520-2017-11-216-225

5. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В., Карпов В.М. Этапы разработки легкового автомобиля. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2005. 82 с.

6. Fedotov A.I., Zedgenizov V.G., Ovchinnikova N.I. Experimental studies of breaking of elastic tired wheel under variable normal load // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Saint-Petersburg, 23-24 March 2017). Saint-Petersburg: Institute of Physics Publishing. 2017. Vol. 87. Doi: 10.1088/17551315/87/8/082019

7. Fedotov A.I., Zedgenizov V.G., Ovchinnikova N.I. Dynamic analysis of elastic rubber tired car wheel breaking under variable normal load // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. (Saint-

рисунка его протектора от 10 до 70% приводит к снижению коэффициента сцепления: на 23,8% - на переднем опорном ролике, и на 48,4% - на заднем опорном ролике.

Полученные результаты следует проверить на корреляцию с параметрами процесса торможения автомобиля в дорожных условиях, так как в этом случае происходит изменение нормальных реакций в результате перераспределения подрессоренной массы между передней и задней его осями. Более того, торможение автомобиля происходит на асфальтобетонном покрытии, в то время как на стенде колесо с эластичной шиной взаимодействует со стальными опорными поверхностями. Также в дорожных условиях оказывают влияние погодные условия, качество асфальтобетонного покрытия и др. [10-13].

кий список

Petersburg, 23-24 March 2017). Saint-Petersburg: Institute of Physics Publishing. 2017. Vol. 87. Doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082017

8. Иларионов В.А., Пчелин И.К. Реакции дороги, действующие на тормозящее колесо автомобиля // Исследование торможения автомобиля и работы пневматических шин: межвуз. сб. Омск: ОмПИ, 1979. С. 3-18.

9. Замешаев Н.С., Озорнин С.П. Результаты оценки величины коэффициента сцепления колес автотранспортных средств категории М1 с поверхностью дорожного покрытия при различных его состояниях // Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера: конструкция, эксплуатация, экономика: материалы 90-й Междунар. науч.-техн. конф. (Иркутск, 9-10 апреля 2015 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. С. 88-94.

10. Евтюков С.А. Влияние факторов на сцепные качества покрытий автомобильных дорог // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6099 (25.04.2018).

11. Пилюшина Г.А., Звонников П.В. Влияние условий эксплуатации автомобильных шин на коэффициент сцепления // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2015. № 21. С. 83-86.

12. Ботвинева Н.Ю., Буракова И.С., Стрельцова Т.Н., Нестерчук А.В. Исследование влияния погодных условий на величину коэффициента сцепления шин с дорожным покрытием // Фундаментальные исследования. 2013. № 11-3. С. 407-411.

13. Гергенов С.М., Корчагин В.А., Дарханов Ж.В. Исследования сцепных свойств автомобильных шин // Ползуновский альманах. 2015. № 2. С. 91-95.

References

1. Pokazateli sostoyaniya bezopasnosti dorozhnogo dvizheniya [Indicators of the road safety state]. Available at: http://stat.gibdd.ru/ (accessed 25 April 2018).

2. Petrov M.A. Rabota avtomobil'nogo kolesa v tormoz-nom rezhime [Vehicle wheel operation in braking mode]. Omsk: West-Siberian Publishing house, 1973, 224 p. (In Russian)

3. Boiko A.V., Yan'kov O.S., Markov A.S., Kuznetsov N.Yu. Stend dlya issledovaniya protsessa vzai-modeistviya elastichnoi shiny s dvumya begovymi bar-abanami [Test bench for studying elastic tire interaction with two chassis dynamometers]. Materialy 90-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Avtomobil' dlya Sibiri i Krainego Cevera: konstruktsiya, ekspluatatsiya, ekonomika" [Materials of 90th International scientific and technical conference "Automobiles for Siberia and Far North: Design, Operation, Economy"]. Irkutsk: ISTU Publ., 2015, pp. 115-123. (In Russian)

4. Fedotov A.I., Markov A.S., Yan'kov O.S., Ovchinni-kova N.I. Effect of tread pattern wear on characteristics of tire adhesion with a supporting surface. Vestnik IrG-TU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 216-225. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-216-225. (In Russian)

5. Isaev E.U., Solomatin N.S., Kovtun V.V., Karpov V.M. Etapy razrabotki legkovogo avtomobilya [Vehicle development stages]. Togliatti: Togliatti state university Publ., 2005, 82 p. (In Russian)

6. Fedotov A.I., Zedgenizov V.G., Ovchinnikova N.I. Experimental studies of breaking of elastic tired wheel under variable normal load // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Saint-Petersburg, 23-24 March 2017). Saint-Petersburg: Institute of Physics Publishing. 2017. Vol. 87. Doi:10.1088/1755-1315/87/8/082019

7. Fedotov A.I., Zedgenizov V.G., Ovchinnikova N.I. Dynamic analysis of elastic rubber tired car wheel breaking under variable normal load // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. (Saint-Petersburg, 23-24 March 2017). Saint-Petersburg: Institute of Physics Publishing. 2017. Vol. 87. Doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082017

Критерии авторства

Федотов А.И., Марков А.С. изучили влияние износа рисунка протектора беговой дорожки шины на ее сцепные свойства при торможении на стенде в блоковом режиме, провели обобщение и написали рукопись. Федотов А.И., Марков А.С. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

8. Ilarionov V.A., Pchelin I.K. Reaktsii dorogi, de-istvuyushchie na tormozyashchee koleso avtomobilya [Road reactions acting on the vehicle braking wheel]. Mezhvuzovskii sbornik "Issledovanie tormozheniya avtomobilya i raboty pnevmaticheskikh shin" [Interuni-versity collection of articles "Research of vehicle braking and pneumatic tire operation"]. Omsk: Omsk polytechnic institute Publ., 1979, pp. 3-18. (In Russian)

9. Zameshaev N.S., Ozornin S.P. Rezul'taty otsenki velichiny koeffitsienta stsepleniya koles avtotran-sportnykh sredstv kategorii M1 s poverkhnost'yu dorozhnogo pokrytiya pri razlichnykh ego sostoyaniyakh [Estimation results of the adhesion coefficient value of wheels of M1 category motor vehicles with a road surface at its various conditions]. Materialy 90-i Mezhdu-narodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Avtomobii dlya Sibiri i Krainego Cevera: konstruktsiya, ekspluatatsiya, ekonomika" [Materials of 90th International scientific and technical conference "Automobiles for Siberia and Far North: Design, Operation, Economy"]. Irkutsk: ISTU Publ., 2015, pp. 88-94. (In Russian)

10. Evtyukov S.A. Vliyanie faktorov na stsepnye kachestva pokrytii avtomobil'nykh dorog [Influence of factors on adhesion qualities of highway coverings]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern Problems of Science and Education]. 2012, no. 3. Available at:

https://science-education.ru/ru/article/view?id=6099 (accessed 25 April 2018).

11. Pilyushina G.A., Zvonnikov P.V. Influence of conditions of operation of automobile tires on coupling factor. Novye materialy i tekhnologii v mashinostroenii [New Materials and Technologies in Mechanical Engineering]. 2015, no. 21, pp. 83-86. (In Russian)

12. Botvineva N.Yu., Burakova I.S., Strel'tsova T.N., Nesterchuk A.V. Research of weather conditions effect on the coefficient of coupling between tire and coverings of highways. Fundamental'nye issledovaniya [Modern Problems of Science and Education]. 2013, no. 11-3, pp. 407-411.

13. Gergenov S.M., Korchagin V.A., Darkhanov Zh.V. Study of coupling properties of tires // Polzunovskii al'manakh [Polzunov's almanakh]. 2015, no. 2, pp. 91 -95.

Authorship criteria

Fedotov A.I., Markov A.S. have studied the effect of tire tread pattern wear on adhesion properties under braking on the test bench in the block mode, generalized the material and wrote the manuscript. Fedotov A.I., Markov A.S. have equal authors' rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.