Исследование основных характеристик колеса автомобиля, как объекта управления

Московский Государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

 

 

 

 

 

Кафедра: Управление и информатика

 в технических системах

 

 

Отчёт

 

по лабораторным работам:

№ 1 «Исследование основных характеристик колеса автомобиля,

как объекта управления»,

№2 «Исследование датчиков первичной  информации ИНКА-систем»,

№3 «Исследование ИНКА-системы контроля давления в шинах автомобиля в движении»,

№4 «Исследование компьютерной ИНКА-системы контроля давления воздуха в шинах автомобиля»

 

по дисциплине

"Автоматизированные информационно-управляющие  системы"

 

 

 

Преподаватель: Бузников С.Е.

 

Выполнили: Семина Е., Семин А., Галимов В.

Группа: А-92

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011

 

Лабораторная работа №1: «Исследование основных характеристик колеса автомобиля, как объекта управления»

Цель работы: Изучение конструкции и измерение основных геометрических размеров объекта исследования, экспериментальное определение зависимости статического радиуса от давления воздуха в шине, оценка износов протектора и корда, оценка граничных значений скорости движения и давления для конкретного образца.

Теоретические сведения

 

Колесо  автомобиля (рис.1) состоит из обода  и шины. Обод колеса крепится к ступице  с помощью специальных болтов.

 

            Обозначение основных элементов:

            1 - шина;

            2 - обод;

            3 - тормозной щит; 4-тормозной диск;

            5 - поворотная цапфа колеса;

            6 - ступица колеса;

            7 - болт крепления колеса;

 

 

 

Рис. 1. Поперечный разрез по колесу передней подвески

Обод обычно изготавливается из стального листа способом холодной штамповки и точечной сварки внутренней и внешней частей. Для снижения массы обода часто используются литые или кованые конструкции из легких сплавов.

Шина устанавливается на ободе  и служит для создания локализованной воздушной подушки, амортизирующей влияние неровностей дорожного покрытия и снижения силы трения качения, а также для обеспечения достаточных сил трения скольжения, определяющих динамические свойства автомобиля при торможениях, разгонах и на виражах. От состояния шин в значительной степени зависит безопасность движения, особенно на скользких покрытиях.

Шина представляет собой многослойную конструкцию (рис.2), которая состоит из корда, блиндера и протектора. Корд шины изготавливается из стальных или полимерных нитей и имеет радиальную или диагональную структуру, придающую шине необходимую форму и прочность.

Блиндер или подушечный слой изготавливается  из мягкой резины и отделяет наружный слой корда от протектора.

Резиновый протектор представляет собой совокупность углублений и  канавок определенного рисунка и глубины и служит для обеспечения сцепления колеса с дорожным покрытием.

Принятая международная маркировка шин, например 175/70R13Q82, содержит вполне определенную информацию и означает: 175 - ширина профиля 1_т шины (мм);

70 - высота профиля Н_т в % к радиусу обода; R - радиальная конструкция корда; 13 - диаметр обода D_w в дюймах (1 дюйм = 25,4 мм); Q - скоростной индекс шины, соответствующий предельной скорости движения V_T =160 км/ч;

82 - индекс грузоподъемности (m_rp = 475 кг) где m_rp- предельно допустимое значение массы, приходящейся на колесо.

 

Рис.2. Конструкция  бескамерной шины, установленной  на ободе.

1- протектор, 2- блиндер, 3- корд, 4- обод, Δг - высоты реборды обода,  Нт - высоты профиля шины, 1т - ширина  профиля шины.

Для колеса различают  динамический R_gi и статический R_ci радиусы. Динамический радиус Rg1 равен расстоянию от оси вращения колеса до поверхности покрытия и представляется в виде:

 

R_wi - радиус обода, равный 0.5D_W , указываемого в маркировке шины (мм);

  - высота реборды обода, составляющая примерно 10…15 мм для ободов разной конструкции;

k_gi = H_тi (0,t₀)/P_н – коэффициент изменения динамического радиуса под действием результирующего давления в шине P_i ^* (мм/бар);

P_i ^* = P_i + k_vi V_i² - результирующие давление в шине;

- коэффициент,  учитывающий действие центробежной  силы, возникающей при вращении  шины массой m_ki с линейной скоростью V_i;

k_mi - коэффициент, учитывающий уменьшение динамического радиуса под действием силы тяжести m_ig приходящейся на i-e колесо, обратный показателю твердости резины по Шору.

P_min - минимальное значение давления, при котором динамический радиус превосходит радиус обода и высоту реборды. Обычно величина не превосходит 0,2 - 0,3 бар;

P_n - номинальное значение давления, рекомендуемое фирмой -изготовителем, составляющее обычно величину, близкую к 2 бар;

P_max - максимальное значение давления, превышение которого сопровождается разрывом корда шины.

Статический или свободный радиус колеса представляется в виде:

k_pj - коэффициент линейного удлинения шины под действием внутреннего результирующего давления

  - начальный статический радиус, при равный: (мм).

На рис.3 приведены зависимости статического и динамического радиусов R_d , R_g1 от Рi.

Высота  профиля новой шины определяется по данным маркировки как

Отличием приведенных зависимостей является существенно более сильное влияние на величину динамического радиуса по сравнению со статическим R_ci в диапазоне из-за того, что

Динамический радиус определяет величину силы возникающей в результате приложения двигательного или тормозного моментов и действующей в области контакта с поверхностью. Величина ^ограничена силами трения скольжения

Неравенство динамических радиусов в  осевых парах колес сопровождается появлением разностей сил которые могут приводить к отклонениям автомобиля от исходного направления движения, особенно при разгонах и торможениях.

Статические радиусы  определяют соотношения между угловыми и линейными скоростями вращения колес , которые используются при косвенных измерениях линейной скорости V_m центра масс как с помощью электромеханического спидометра, так и с помощью программ обработки данных бортового компьютера.

Эксплуатация шин сопровождается протеканием процессов износа их протекторов и кордов. Результатом износов является уменьшение глубины h_pj рисунка протектора и увеличение радиуса R_ki корда шины.

Уменьшение h_pj под действием сил трения качения и скольжения приводит в снижению сцепных свойств шины с дорогой, проявляющемся в уменьшении коэффициентов трения скольжения и, как следствие, к увеличению тормозного пути, граничного радиуса виража при заносах, уменьшению граничных скоростей и ускорений пробуксовок ведущих колес и др.

Износ кордов шин возникает в  результате накапливания пластических деформаций нитей корда, их локальным обрывам и потере прочности. Эти явления приводят к увеличению радиуса корда, появлению выпучиваний боковин шин и их локальных разрывов, обнаруживаемых визуально. Остаточные растяжения кордов шин, приводящие к увеличению их радиусов проявляются менее явно и при визуальном контроле не обнаруживаются.

Однако отсутствие внешних дефектов шин не позволяет судить о степени  износа их кордов, которые могут  проявляться в виде «внезапного» разрыва шины в движении при повышении давления, воздействии ударных нагрузок или вообще без видимых причин.

В действительности, разрыву шины предшествует постепенное увеличение радиуса корда, который в некоторый момент времени оказывается больше критического значения

Для радиуса корда в диапазоне упругих деформаций под действием сил давления и центробежных сил выполняется закон Гука в виде:

  - начальное значение радиуса корда при в момент времени t .

Процесс износа корда характеризуются  тем, что т.е. начальное значение с течением времени возрастает. Линейный диапазон изменения ограничен сверху , а его превышение приводит к разрыву шины.

Условия предотвращения разрывов для приращений радиуса корда записывается в виде:

 

  - текущее значение величины износа корда;

 

 -начальное значение радиуса корда шины в момент времени t₀ для новых шин; - граничное значение приращения радиуса корда.

 

Величина  определяется для  новых  шин  при при определяемой по скоростному индексу шины в маркировке:

  - коэффициент пропорциональности тепловой составляющей давления от скорости движения , равный при

 составляет для большинства моделей шин легковых автомобилей величину порядка

Значение верхней границы  скорости разрыва корда шины определяется из (4) в виде:

Величина  изменяется   от   V_T   при до   0   при - k_piP_iH. Верхняя граница скорости автомобиля, определяемая износами кордов всех шин, равна

 

Верхняя граница  давления также определяется из (4) и составляет:

V_m - линейная скорость центра масс автомобиля. С учетом (5) уравнение (7) преобразуется к виду:

 

Нижняя   граница   давления     определяется   из   условий инимального износа протектора и составляет обычно 1.7÷2 бара.

 

 

 

Результаты  измерений и рассчитанные значения

 

Маркировка шины: 215/55 R16  93W

 

R_C(0,t₀)=0.3233 м;

h_pi(0,t₀)=0.01 м

 

1) Измерение  статического радиуса, диаметра  обода и профиля шины:

 

Длина окружности шины: Lокр, (м)	2,03
Ширина профиля шины: lТ (м)	0,23
Высота профиля шины: HТ (м)	0,1174
Диаметр обода: Dw, (м)	0,398
Предельная масса, приходящаяся на колесо mгр, (кг)	650
Статический радиус: Rc(0;t0), (м)	0,3231

 

2) Измерение длины окружности шины  в зависимости от давления:

 

Rc=lc/2π;

 

lс, м	2,03	2,031	2,034	2,0365	2,039	2,04
Rc, м	0,3231	0,3232	0,3237	0,3241	0,3245	0,3247
P, бар	0	0,5	1	1,5	2	2,5

 

По данным измерений определяем:

Высота рисунка протектора: h=

 

3) Определение износов кордов  шин  :

;

 

4) Определение коэффициента  - коэффициента, учитывающего действие центробежной силы:

- радиус обода, указанный  в маркировке шины;

- высота профиля шины;

 

 

5) Определение верхней границы  износа кордов  :

;

- определяем из скоростного  индекса шины;

 

6) Определение верхних границ  скоростей  при 1,6; 1,8; 2,0 бар:

;

 

1,6:

 

1,8:

 

 

2,0:

 

7) Зависимость  :

 

;

;

Зависимость строим для значений износов кордов =0; 1; 2; 3 мм, считаем равным 1,7 бара.

Vm, км/ч	0	36	72	108	144	180	216	252	270
Vm, м/c	0	10	20	30	40	50	60	70	75
∆Rki=0
P1гр	5,825	5,765	5,585	5,285	4,865	4,325	3,665	2,885	2,45
∆Rki=1 мм
P1гр	4,2625	4,2025	4,0225	3,7225	3,3025	2,7625	2,1025	1,3225	0,8875
∆Rki=2 мм
P1гр	2,7	2,64	2,46	2,16	1,74	1,2	0,54	-0,24	-0,675
∆Rki=3 мм
P1гр	1,1375	1,0775	0,8975	0,5975	0,1775	-0,3625	-1,0225	-1,8025	-2,2375