Загальні відомості. 2.2.1 Автомобільне колесо - це колесо, на якому змонтована пневматична шина

2.2.1 Автомобільне колесо - це колесо, на якому змонтована пневматична шина. Шина безпосередньо стикається з поверхнею дороги. Будучи наповненої стиснутим повітрям, вона стає пружною і здатної сприймати великі навантаження. Шина повинна мати мінімальний опір коченню, гарні зчіпні, пружні і демпфуючі властивості, високу зносостійкість і довговічність при мінімальній масі, і повинна самоочищатися при русі по деформуючим грунтам.

Від характеру взаємодії шини з опорною поверхнею залежать тягово-експлуатаційні і гальмові властивості автомобіля, повільність ходу і прохідність, керованість і усталеність, паливна економічність і ін.

Під дією зовнішніх навантажень шина колеса піддається складної деформації. Цю деформацію для зручності вивчення звичайно розчленовують на трьох більш прості: нормальну (радіальну), бічну й окружну (тангенціальну або крутильну). Шини класифікуються по геометричних розмірах і по конструктивних ознаках.

Геометричні розміри шини: зовнішній діаметр D, ширина В і висота профілю Н, посадковий діаметр і відстань між бортовими закраінами обіду - А. У залежності від ширини профілю шини підрозділяються на великогабаритні (В =350мм і більш), середньогабаритні (В = 200¸ 350мм) і малогабаритні (В не більш 260мм).

Конструктивними ознаками шин є конструкція каркаса і брекера, спосіб герметизації на ободі, тиск повітря в шині, тип рисунка протектора і т.д.

У позначення шин включаються геометричні розміри D, B, , конструкція каркаса літери Р або R для шин із радіальним кордом. У позначенні шин звичайного профілю для вантажних автомобілів указуються розміри B і в міліметрах (дюймах). Наприклад: 240 - 508: 240 - 508 Р, 260 - 508 (9.00 - 20). Широкопрофільні шини позначаються трьома числами - розмірами D ´ B - у міліметрах (1770´ 670 - 635); аркові - двома D ´ B (1300 ´ 750); а пневмокатки - трьома D ´ B ´ Н (1000 ´ 1000 ´ 250).

У діагональних шин легкових автомобілів використовується позначення виду B - , причому при Н/В більш 0, 82 розміри тільки в дюймах (9.00 - 15), а при Н/В=0, 82 і менше змішане позначення (155 - 13/6, 15 - 13).

Радіальні шини легкових автомобілів мають позначення виду В/70 ´ R або В/60 ´ R (В - у міліметрах; - у дюймах; 70 і 60 - номер серії. Умовне позначення Н/В, наприклад Н/В = 0, 7 - серія 70. Замість «´» у позначенні може бути індекс швидкості - літерне позначення максимальної швидкості руху: Р - 150; Q - 160; R - 170 кМ/г і т. д. Наприклад: 185/70 РR 14, 185/60 QR 13. Якщо в позначенні відсутній номер серії (185 РR 13), шина має Н/В =0, 82 (серія 82).

Крім умовного позначення розмірності, на боковині шини вказуються підприємство, країна, номер моделі, Tubless для безкамерних шин і інші позначення у відповідності зі стандартними.

Розмір автомобільного колеса у вільному не навантаженому стані характеризується вільним радіусом .

Вільний радіус колеса - половина зовнішнього діаметра = 0, 5 .

Під зовнішнім діаметром колеса розуміється діаметр найбільшого окружного перетину бігової доріжки колеса при відсутності контакту з дорогою. Значення зовнішнього діаметра колеса при номінальному тиску повітря в шині вказується в ДСТУ або каталогах.

При дії на колесо вертикального навантаження відбувається деформація частини шини, що стикається з опорною поверхнею. При цьому відстань від осі колеса до опорної поверхні стає менше вільного радіуса. Ця відстань, заміряна в нерухомого колеса, називається статичним радіусом . Статичний радіус при номінальних навантаженнях і тиску повітря в шинах також вказується в їхніх характеристиках. Статичний радіус при відомих конструктивних параметрах шин можна знаходити зі співвідношення:

, (2.1)

де: - посадковий діаметр обіду шини;

- коефіцієнт вертикальної деформації (залежить від типу шин: для тороідних шин =0, 85¸ 0, 87; для шин із регульованим тиском і аркових =0, 8¸ 0, 85; Н - висота профілю.

При коченні навантаженого колеса в силу ряду причин (динамічна дія навантаження, переданий колесом крутний момент, швидкість обертання й ін.) відстань між віссю колеса й опорної поверхні змінюється. Ця відстань називається динамічним радіусом . При коченні колеса по твердій опорній поверхні з малою швидкістю статичний і динамічний радіуси його практично однакові.

Крім перерахованих радіусів еластичного колеса при його деформації розрізняють ще і радіус кочення .

Радіусом кочення прийнято називати радіус такого фіктивного жорсткого колеса, що при відсутності пробуксування і прослизання має однакові з дійсним колесом частоту обертання і швидкість кочення. Радіус кочення правильно називати кінематичним радіусом, їм характеризується шлях, пройдений колесом за один оборот.

По визначенню радіус кочення дорівнює відношенню подовжньої складової поступальної швидкості колеса до його кутової швидкості. Для однієї і тієї ж шини він залежить від нормального навантаження, внутрішнього тиску в шині, окружної сили, коефіцієнта зчеплення колеса з дорогою і швидкості руху колеса. При відсутності прослизання і пробуксовування автомобільного колеса радіус кочення визначається окружною деформацією шини і може бути обчислений як відношення поступальної швидкості колеса до кутової швидкості його обертання:

(2.2)

2.2.2 Нормальна деформація шини

Рисунок 2.1 – Схема нормальної деформації шини

Права частина рисунка відповідає вільно стоячій шині, а ліва - деформованим нормальним навантаженням.

Деформація шини відбувається при почти незмінному тиску повітря в ній. Об'єм повітря, витиснутий при деформації, у порівнянні з об'ємом повітря в камері дуже мале, тому збільшення тиску в шині внаслідок її нагружения також мало і складає 1-2%.

Під дією навантаження G_к відбувається зменшення відстані від осі колеса до дороги через зменшення висоти Н і збільшення ширини В профілю шини. Нормальний прогин є слідством деформації шини в радіальному, окружному і поперечному напрямках.

Нормальний прогин шини h_z - це лінійний зсув центру колеса щодо опорної поверхні під дією нормальному навантаженню, обмірювана по нормалі до опорної поверхні. Він оцінюється різницею вільного r_в і статичного r_cт радіусів колеса

(2.3)

і служить однією з найбільше важливих характеристик шини. Надмірне збільшення прогину приводить до підвищених напруг у шині, теплотворення і, отже, зниженню усталеної тривкості шин. У зв'язку з цим відносний розмір нормального прогину (відношення ) шин звичайної конструкції обмежується значенням 10-12%, що встановлено в результаті тривалого досвіду експлуатації.

Для шин регулюючим тиском повітря широкопрофільних шин ця межа складає 12-15%, а для аркових - 15-20%.

Крім працездатності нормальний прогин визначає такий важливий експлуатаційний параметр, як нормальна жорсткість шини С_z, безпосередньо зв'язана з повільністю ходу автомобіля, його демпфуючою спроможністю, навантаженнями в деталях ходової частини.

Нормальна жорсткість шини С_z - це перша похідна нормального навантаження колеса по нормальному прогині шини , чисельно визначається з відношення навантаження G_к до викликаного нею прогину h_z

(2.4)

Нормальна жорсткість залежить від конструкції шини. При однаковому тиску повітря шини з діагонально розташованим кордом мають на 10-20% велику нормальну жорсткість, чим шини з радіальним кордом.

Найбільший вплив на нормальну жорсткість робить внутрішній тиск повітря в шині. Причому ця залежність носить практично лінійний характер. Чим вище тиск повітря в шині, тим більше нормальна жорсткість.

Навантаження на колесо G_к у меншому ступені впливає на нормальну жорсткість шини С_z, особливо в області її номінальних значень.

У реальних умовах експлуатації нормальна жорсткість залежить від ряду чинників, зокрема, від динамічних режимів нагружения, форми опорної поверхні, форми і розмірів нерівностей, температури шині і т.д.

2.2.3 Окружна (тангенціальна) деформація шини

При додатку до колеса крутного моменту М (рисунок 2.1) і (або) подовжні сили Р_х відбуваються деформування боковин і протектора шини, що викликає її окружну деформацію, що також називають тангенціальною деформацією шини.

Дія на колесо крутного моменту М (рисунок 2.2а) - штрих-пунктирними лініями показані положення радіальних ліній, нанесених на профіль шини, при відсутності крутного моменту, а суцільними - при його наявності викликає поворот ободу колеса на деякий кут β _м щодо нерухомого контакту. При цьому точка 1 обіду колеса переміститься в положення 2.

Від дії подовжньої сили Р_х (рисунок 2.2б) відбувається зсув вертикальної осі колеса щодо центру контакту (точка А) у напрямку дії цієї сили на розмір С і кутовий зсув обіду колеса щодо нерухомого контакту на кут β _р. На колесо крутний момент і подовжня сила часто діють одночасно (рисунок 2.2). Тут штрих-пунктирними лініями показані положення радіальних ліній, нанесених на профіль шини, при дії подовжньої сили і відсутності крутного моменту, а суцільними - при спільній дії подовжньої сили і крутного моменту. Оскільки до закручування шини веде дія в крутний момент і подовжньої сили, то окружну (тангенціальну) деформацію шини оцінюють кутом закрутки шини β - це кутовий зсув точки обіду колеса навколо осі обертання колеса щодо нерухомої в контакті точки шини в результаті збільшення крутного моменту, обмірюване в площині обертання колеса. Тангенціальна деформація шини дуже впливає на кінематику руху автомобільного колеса.

2.3 Завдання на підготування до лабораторної роботи

При підготуванні до роботи студент повинний вивчити:

2.3.1 Методику експериментального визначення вільного і статичного радіуса, нормальної і тангенціальної характеристик еластичного колеса.

2.3.2 Конструкцію установки для визначення нормальної і тангенціальної характеристик еластичного колеса.

2.3.3 Підготувати протокол вимірів і обчислень за п.2.3.1.

Протокол вимірів і обчислень визначення характеристик

еластичності шин

1. Шина (тип, модель) -

2. Номінальний тиск повітря в шині (МПа) -

3. Максимальне нормальне навантаження на шину (Н) -

4. Вільний радіус шини (мм) -

5. Статичний радіус шини (мм) -

Таблиця 2.1 - Результати вимірів і розрахунків нормальної деформації шини

Номер опиту	Розмір додаткового вантажу Рr, Н	Нормальне навантаження на шину Рн, Н	Тиск повітря в шині, МПа
Норм. прогин шини h, мм	Норм. жорст-кість шини Сн, Н/мм	Норм. прогин шини h, мм	Норм. жорст-кість шини Сн, Н/мм	Норм. прогин шини h, мм	Норм. жорст-кість шини Сн, Н/мм

Таблиця 2.2 - Результати вимірів і розрахунків тангенціальної деформації шини

Номер опиту	Розмір додаткового вантажу	Момент на колесі Мк, Н× м	Тиск повітря в шині, МПа
Кут деформа- ції шини a, град.	Танген-ціальна жорст-кість шини СТ, град/ /Н× м	Кут деформа- ції шини a, град.	Танген-ціальна жорст-кість шини СТ, град/ /Н× м	Кут деформа- ції шини a, град.	Танген-ціальна жорст-кість шини СТ, град/ /Н× м

2.4 Контрольні питання для самоперевірки і контролю готовності студентів до роботи

2.4.1 Які види деформації шини Ви знаєте?

2.4.2 Що являє собою нормальний прогин шини, як його можна визначити і від чого він залежить?

2.4.3 Як змінюється нормальний прогин шини при збільшенні нормального навантаження?

2.4.4 Що мається на увазі під вільним і статичним радіусом колеса?

2.4.5 Коли виникає тангенціальна (окружна) деформація шини?

2.4.6 Що відбувається із шиною при додатку до колеса крутного моменту і подовжньої сили?

2.4.7 На що впливає тангенціальна деформація шини?

2.4.8 Як впливає тиск повітря в шині на її характеристики?

2.5 Матеріали, інструмент, пристосування, устаткування

При виконанні роботи використовується:

2.5.1 Установка для визначення характеристик еластичного колеса.

2.5.2 Насос.

2.5.3 Манометр.

2.5.4 Оптичний квадрант.

2.5.5 Мірна стрічка, лінійка.

2.5.6 Штангенрейсмус.

2.5.7 Колесо з еластичною шиною, (знос протектора шини не більш 50%).

Установка перебуває з опорної рами і стійок 1, вузла кріплення випробуваної шини 2, контактної площадки 3, пристосування для створення нормальної деформації шини зі знімними вантажами 4, пристрої 5 для створення моменту, деформуючого шину в тангенціальному напрямку 6 (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема установки та навантаження шини

2.6 Порядок виконання лабораторної роботи

При виконанні роботи необхідно:

2.6.1 Установити у випробовуваній шині тиск повітря зазначене в технічній характеристиці шини при максимально припустимому навантаженні на шину.

Для цього визначити тип і позначення шини і по довідковій літературі вибрати необхідні параметри. Тиск проконтролювати за допомогою манометра, а результати занести в протоколи випробувань.

2.6.2 Замірити вільний радіус колеса. Вільний радіус можна замірити двома способами: виміром діаметра колеса по середині протектора шини в двох-трьох напрямках, або вимірявши довжину окружності мірною стрічкою по найбільшому діаметрі шини.

Результат вимірів і обчислень занести до протоколу випробувань.

2.6.3 Замірити статичний радіус еластичного колеса. Статичний радіус можна визначити на установці для зняття характеристик колеса. Для цього колесо із шиною закріпити на диску вузла кріплення випробовуваної шини і пристосуванням для створення нормальної деформації, через контактну площадку навантажити шину, вантажем еквівалентним максимально припустимому навантаженню на шину. По розмірі максимальної деформації шини визначити статичний радіус. Результат занести до протоколу випробувань.

Розмір додаткового вантажу як при визначенні статичного радіуса, так і при визначенні нормальної деформації шини при її східчастому навантаженні визначити з обліком конструктивних параметрів установки.

Для цього скласти рівняння рівноваги моментів від сил, діючих у навантаженому пристрої на шину. Підрахувати необхідний розмір вантажу, що забезпечує навантаження на шину.

2.6.4 Визначити характеристику нормальної (радіальної) деформації шини.

При визначенні нормальної деформації шини її ступінчастість навантажити нормальним навантаженням і виміряти нормальний (радіальний) прогин шини. Розмір нормального навантаження на шину в залежності від значень розмірів додаткового вантажу обчислити, склавши рівняння рівноваги моментів, аналогічно п.2.6.3.

Виміри виконувати для різних тисків повітря в шині.

Результати обчислень і вимірів занести до протоколу.

2.6.5 Визначити характеристику тангенціальної деформації шини.

При визначенні тангенціальної деформації шини її попередньо навантажити постійним нормальним навантаженням рівному номінальному навантаженню на шину з метою винятку її прослизання при додатку крутного моменту.

Навантажуючи вантажами пристрій 5, прикласти до колеса східчасто змінюючий крутний момент і замірити оптичним квадратом кути закрутки шини. Виміри виконати при різних тисках повітря в шині. Результати занести до протоколу випробувань.

2.7 Зміст звіту

2.7.1 В звіті за результатами вимірів розрахувати нормальні навантаження на шину, нормальну і тангенціальну жорсткість шин. Отримані значення розрахункових розмірів внести до протоколу.

2.7.2 За результатами вимірів і обчислень побудувати графічні залежності:

- деформація шини в залежності від прикладеного нормального навантаження ;

- кут деформації від крутного моменту;

- жорсткість шини від нормального навантаження;

- тангенціальна жорсткість шини від крутного моменту.

2.7.3 Проаналізувати вплив на отримані залежності, нормального навантаження крутного моменту і тиски повітря в шині.

2.7.4 Висновки за результатами роботи.

Література: [1], с.21-22; [2], с.11-12; с.16-20; [3], с.10-15; [4], с.34-46; [9], с.47-66.

3 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3