Лабораторные испытания шин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объект испытаний, его состав и назначение

Автомобильная шина -- один из наиболее важных элементов колеса, представляющая собой упругую резино-металло-тканевую оболочку, установленную на обод диска. Шина обеспечивает контакт транспортного средства с дорожным полотном, предназначена для поглощения незначительных колебаний, вызываемых несовершенством дорожного покрытия, компенсации погрешности траекторий колёс, реализации и восприятия сил.

Цель испытаний:

- проверка соответствия основных технических характеристик и параметров автомобильных шин.

Общие положения

Правила эксплуатации автомобильных шин АЭ 001-04 (утверждены распоряжением Минтранса РФ от 21 января 2004г. № АК-9-р). В соответствии с решением комиссии Минтранса России от 18.04.2006 г. (созданной распоряжением Департамента государственной политики в области дорожного хозяйства, автомобильного и городского пассажирского транспорта Минтранса России № 02-ЕМ-142/2-р), принятого с учётом требований статьи 46 ФЗ «О техническом регулировании», а также в целях обеспечения безопасности эксплуатации автотранспортных средств и охраны окружающей среды документ АЭ 001-04 «Правила эксплуатации автомобильных шин» действует без ограничения срока действия до вступления в силу соответствующих технических регламентов.

Стандарты

ГОСТ 4754-97 «Шины пневматические для легковых автомобилей, прицепов к ним, лёгких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости. Технические условия»

ГОСТ 5513-97 «Шины пневматические для грузовых автомобилей, автоприцепов, автобусов и троллейбусов. Технические условия»

ГОСТ 13298-90 «Шины с регулируемым давлением. Технические условия»

Лабораторные испытания

Работу шины во многом определяют ее упругие или жесткостные характеристики, в частности характеристики радиальной, тангенциальной, боковой и угловой жесткостей, представляющих собой отношение соответственно радиального, тангенциального, бокового усилий, а также момента в месте контакта шин с дорогой к вызываемым ими деформациям шины в соответствующих направлениях.

Для определения радиальной жесткости обычно используют пресс, имеющий механизм нагружения и систему отсчета деформаций. В шинной промышленности для этой цели применяют стенд ОПШ-30, предназначенный для испытаний металлических образцов на разрыв. Аналогичный стенд, который разработан на базе машины УММ-50, имеется на автомобильном полигоне НАМИ.

Стенд ОПШ-30 (рисунок1) имеет неподвижную траверсу 3, на которой установлен гидроцилиндр 4.

Его плунжер 5 через подвижную траверсу 6 и тяги 12 перемещает стол 13, воздействующий на шину 11, которая подвешена с помощью тяг 1 к траверсе 3.На этой траверсе укреплен крюк 2 подъемной тали для установки колеса. Давление в гидроцилиндре создается насосом 10 и измеряется силоизмерительным прибором 7, показания которого пропорциональны действующей нагрузке.

Рисунок 1 Стенд ОПШ-30

Стенд оборудован записывающим устройством, барабан которого соединен тросиком с тягой 12 и поворачивается на угол, пропорциональный деформации шины, а перо 8 в зависимости от действующей нагрузки перемещается по образующей барабана 9 и автоматически вычерчивает кривые в координатах усилие - радиальная деформация шины. На стенде кроме характеристик радиальной жесткости определяют площади отпечатков и статические радиусы шин, а также прочность каркаса методом продавливания шины наконечником соответствующей формы с последующим подсчетом работы, затраченной на разрушение, которая характеризует прочность каркаса.

Тангенциальную, или окружную, жесткость шины определяют на установках, принципиальная схема одной из которых дана на рисунке 2.

По верхней штанге 1 установки перемещается груз 2. Это позволяет регулировать вертикальное усилие, прикладываемое к испытуемому колесу 6, путем изменения момента груза 2 относительно опоры 8. Винт 3 служит для поддержания рычага в горизонтальном положении и непосредственно передает усилие через рессору 5 на балку 10, закрепленную на оси стойки 8 и имеющую груз 9, служащий для вывешивания колеса относительно опорной плиты 7.Карданный вал 11 соединяет колесо с храповым устройством 12, собачка 14 которого через сектор 13 и трос связана с винтом 16.

Рисунок 2 Установка для определения тангенциальной жесткости шин

По осевому перемещению винта 16 с учетом передаточного отношения определяют угол закручивания, а по динамометру 15 усилие, которое создается на колесе. Отношение этого усилия к углу поворота колеса - тангенциальная, или окружная, жесткость шины.

Боковую жесткость шины определяют на установках, схема одной из которых изображена на рисунке 3. Испытуемое колесо 6 жестко связано с трубой 3, свободно посаженной на оси, вследствие чего труба может перемещаться вдоль оси и вращаться вокруг нее. Через подшипники труба связана с рамой 4, на которую воздействуют груз 5, прижимая шину к основанию.

Рисунок 3 Установка для определения боковой жесткости шин

Груз 11 через блок и трос 10 создает боковое усилие на колесе. Ось 2 жестко связана со станиной 1, последняя может качаться на шарнире 8, что необходимо для первоначального вывешивания колеса, которое осуществляется с помощью противовеса 9. Боковая деформация шины фиксируется самопишущим устройством 7. По величине отношения боковой силы к боковой деформации шины определяют ее боковую жесткость.

Для определения угловой жесткости шины опирают шину на поворотный диск, взаимодействующий с основанием через шарики. По отношению момента, поворачивающего диск, к углу его поворота подсчитывают угловую жесткость в месте контакта шины с основанием.

Существуют универсальные стенды, которые позволяют определять все перечисленные жесткостные параметры.

Для определения сцепных качеств шин в лабораторных условиях используются те же установки, которые применяются для исследования жесткостных параметров.

Продольный коэффициент сцепления, представляющий собой отношение касательного усилия в месте контакта к нормальной нагрузке на колесе при его скольжении, определяется на установке, которая используется для снятия тангенциальной жесткости шины (см. рисунок 89). Поперечный коэффициент сцепления, характеризуемый отношением боковой силы к нормальной нагрузке на колесе при боковом скольжении колеса, определяется на установке, изображенной на рисунке 89. На этой же установке, если колесо опереть не на неподвижное основание, а на вращающийся барабан или диск с приводом от электродвигателя, можно снимать характеристики бокового увода шин. Однако не менее распространены стенды, на которых боковую силу изменяют поворотом оси вращения колеса по отношению к оси вращения бегового барабана.

Сопротивление качению в лабораторных условиях определяется на стендах с беговым барабаном или вращающимся в горизонтальной плоскости диском. Принципиальная схема стенда с беговым барабаном приведена на рисунок 4.

Рисунок 4 Стенд для определения сопротивления качению шин

Колесо с испытуемой шиной 1 опирается на беговой барабан 2 и имеет привод от электродвигателя 3, а барабан соединен с генератором 4. Разность мощностей электродвигателя и генератора (за вычетом мощности, обусловленной вентиляционными потерями при вращении шины) определит мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления качению колеса, а коэффициент сопротивления качению колеса 1 может быть вычислен по формуле

,

где N - мощность, затрачиваемая на качение колеса по барабану;

Q- нагрузка на колесо;

u- окружная скорость.

Испытания шин на долговечность, включая усталостную прочность каркаса и износостойкость протектора, проводят на шинообкатных станках, схема одного из которых приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 Шинообкатный станок

Беговой барабан 5 получает привод от электродвигателя 4 и приводит во вращение две испытуемые шины 3. Они установлены на каретках 6, которые, перемещаясь на роликах по направляющим станины, прижимают шины к беговому барабану под действием грузов 1 через угловые рычаги 2. Станок является универсальным, на нем можно проводить испытания шин диаметром до 1400 мм при нагрузке до 45 кН и скорости качения км/ч. Для проверки прочности каркаса при воздействии динамических нагрузок на рабочей поверхности барабана укрепляют различных размеров препятствия.

В целях ускорения процесса испытаний на износ шин применяют станки, на которых в процессе обкатки на шину действует крутящий момент, создаваемый гидротормозом, динамомашиной, либо станки с замкнутым контуром мощности. При возрастании крутящего момента от 0,5 до 1 Н • м интенсивность износа при обкатке по барабану со стальной рифленой поверхностью увеличивается в 4,5 раза.

Колеса и ступицы в лабораторных условиях подвергаются главным образом испытаниям на прочность. Прочность ободов исследуется в основном тензометрическим методом, который подробно будет описан ниже при рассмотрении методов испытаний несущих систем. Обод колеса в сборе с шиной, находящейся под давлением, подвергают действию вертикальной и боковой нагрузки. Тангенциальные нагрузки и крутящие моменты не учитываются, так как их влияние на прочность обода незначительно.

Испытания проводят на установках, аналогичных тем, которые применяют при испытании шин. Диски колес подвергают усталостным испытаниям на стендах, схема одного из которых представлена на рисунке 6.

Особенностью стенда является то, что в процессе испытаний колесо 1 с испытуемым диском остается неподвижным. Это позволяет наблюдать процесс возникновения и развития усталостных трещин, которые образуются в результате действия изгибающего момента при вращении несбалансированной массы 2. Масса установлена на валу, который через упругую муфту 3 соединен с электродвигателем 4. Основание стенда смонтировано на упругой подвеске 5. На этом же стенде можно проводить усталостные испытания ступиц колес.

Рисунок 6 Стенд для испытаний дисков колес

Шины в сборе с ободьями подвергают прочностным испытаниям в броневой камере под давлением, доводя его до значения, при котором разрушается шина или обод. Для предотвращения взрыва вместо воздуха в шину нагнетается вода.

Следует указать, что до сих пор ни в отечественной, ни в зарубежной практике не существует установившихся взглядов относительно схемы и конструкции тележек в зависимости от их назначения. Однако в большинстве случаев одноколесные тележки применяют для определения коэффициента сцепления в продольном направлении и сопротивления качению, а также характеристик бокового увода шин небольших размеров. В последнем случае для создания боковой силы ось поворачивается в горизонтальной плоскости. Для определения коэффициента сцепления шин в поперечном направлении и характеристики бокового увода шин средних и больших размеров рекомендуется использовать двухколесные тележки, поскольку в этом случае при повороте обоих колес навстречу возникающие на них боковые силы нейтрализуют одна другую, не нагружая рамы тележки и траверсы. Как правило, тележки имеют тормозное устройство для регулирования проскальзывания шины относительно дороги вплоть до полного скольжения. Однако имеются конструкции тележек, у которых отсутствует тормоз, а заданное проскальзывание испытуемого колеса обеспечивается выбором определенного рассогласования кинематики качения испытуемого и опорных колес тележки.

Существуют конструкции тележек с активным приводом, на которых можно испытывать шины, как в тормозном, так и в тяговом режиме. Наиболее точно коэффициент сцепления может быть определен на тележках, схемы которых обеспечивают независимость вертикальной нагрузки на колесе от приложенного к нему момента. Наиболее просто это решается применением параллельных горизонтально расположенных шарнирных штанг, связывающих тележку с тягачом, как это сделано на тележке ПКРС-2У (рисунок 7).

Рисунок 7 Тележка для определения коэффициента сцепления дорожного полотна

шина испытание прочность лабораторный

Прицеп 1 снабжен датчиком 3 коэффициента сцепления, а также датчиком 2 ровности профиля. На тягаче размещены рабочее место оператора, бак 4 для воды, рукоятка управления 5 подачей воды для увлажнения дороги, регистрирующие приборы 6 и педаль 7 для торможения колеса тележки при замерах.

При разработке любой новой модели шины проводят комплекс лабораторно-дорожных испытаний по определению влияния шин на основные эксплуатационные качества автомобиля. Обязательными являются испытания на топливную экономичность, устойчивость и управляемость, скоростные, тормозные и сцепные качества, плавность хода. Для автомобилей высокой проходимости, кроме того, обязательны испытания по определению влияния шин данной модели на проходимость автомобиля, а для легковых автомобилей испытания на шум при работе шин.

При испытаниях используются в основном общепринятые методы. Однако испытания шин имеют особенность, которая заключается в том, что метод замера параметров должен обеспечивать не только качественное, но и количественное сопоставление моделей шин, так как без этого невозможно выбрать лучшую модель, если испытывается несколько моделей. Кроме того, эксперимент должен ставиться с высокой точностью и в одинаковых условиях, чтобы можно было получить достоверные данные и установить различие во влиянии каждой из испытуемых моделей на изучаемое эксплуатационное качество автомобиля. Так, например, в случае определения влияния шин на устойчивость и управляемость автомобиля используется метод, в котором оценочным критерием достоинства шин является кубическое значение средней скорости прохождения специальной слаломной трассы, состоящей из отрезков прямых и поворотов. При этом заезды должны совершаться с максимальной скоростью, а их число при испытаниях каждой шины должно быть не меньше 10. Заезд зачитывается, если при прохождении трассы не будет сбита ни одна вешка. Шины считаются приемлемыми, если кубическое значение скорости прохождения трассы на опытных шинах меньше такого же значения для эталонных шин не более чем на 10%.

Сцепные качества шин определяют в тяговом и тормозном режимах, включая буксование и полное скольжение.

В первом случае автомобиль с испытуемыми шинами буксирует динамометрическую машину, оборудованную гидротормозом, с помощью которого можно плавно увеличивать силу тяги вплоть до буксования колес тягача. Во втором случае динамометрическая машина используется в качестве тягача. Оценочным критерием сцепных качеств шин является сила тяги на крюке, которая определяется с помощью электрического динамометра и записывается на ленту осциллографа либо самопишущего прибора. Длина мерного участка составляет 100 м, а число заездов не менее двух в том и другом направлении.

Сопротивление качению шин в процессе лабораторно-дорожных испытаний определяют, используя метод подсчета пути и времени свободного качения автомобиля, начиная с какой-то начальной скорости, например 50 км/ч до остановки, или методом буксировки автомобиля на испытуемых шинах с замером силы тяги. Устанавливая на один и тот же автомобиль последовательно опытные и эталонные шины, можно получить сравнительные данные по сопротивлению качению шин, как и по всем прочим характеристикам автомобиля, включая топливную экономичность, скоростные, тормозные и другие его качества. При этом для успешного проведения эксперимента необходимо, прежде всего, обеспечить идентичность условий испытаний для исследуемых моделей шин. Важное значение имеет тщательная подготовка автомобиля и шин, включая обязательно прогрев их перед проведением зачетных заездов. Прогрев шин необходимо выполнять в течение не менее 1 ч при скорости, близкой к той, с которой будет проводиться эксперимент, так как только после этого стабилизируется характеристика шины.

Перед испытаниями шин их взвешивают и балансируют, измеряют ширину профиля, в том числе под нагрузкой, глубину протектора в четырех сечениях, отстоящих одно от другого на 90° по окружности шины (одно из сечений проходит через вентиль). В каждом сечении замеряют глубину протектора в нескольких точках, число которых зависит от рисунка протектора, хотя может быть и произвольным, однако при этом обязательно должны быть сделаны замеры посередине протектора и в его крайних точках. В процессе испытаний систематически делают замеры. Они служат исходным материалом для определения износа.

Дорожные испытания колес проводят для выявления прочностных качеств, главным образом в условиях ударных нагрузок о неровности, которые могут вызвать разрушение и погнутости закраин ободьев и разрушение деталей крепления колес к ступице, а также самопроизвольный демонтаж шины с обода или нарушение ее герметичности, если шина бескамерная. Эти испытания проводят, как правило, на дорогах второй категории, имеющих участки с нарушенным покрытием, по бездорожью с глубокой колеей, при движении по которым колеса подвергаются воздействию значительных вертикальных и, что особенно важно, боковых сил.

Прочностные качества дисков колес и ступиц определяют путем специальных ускоренных испытаний во время движения автомобилей по траектории, представляющей собой двойную или одинарную восьмерку. Скорость автомобиля задается наибольшей с учетом требований безопасности. При этом возникают боковые силы, которые нагружают колеса и ступицы изгибающим моментом, позволяя в короткий срок получить данные об их усталостной прочности. При определении прочностных качеств колес и ступиц широко применяется тензометрический метод, позволяющий подробно изучить напряженное состояние детали, выявить зоны концентрации напряжений, а также те области, в которых напряжения малы. На основании полученных материалов делают заключение о равнопрочности обода по сечению и диска, затем увеличивают, если это необходимо, напряжение соответствующей зоны и удаляют часть металла там, где напряжения незначительные. В результате таких мероприятий может быть повышена несущая способность детали и уменьшен ее вес. Возможность изучения напряженного состояния с помощью тензометрирования имеет особое значение для деталей, теоретические методы расчета которых отсутствуют или слабо разработаны. К таким деталям относятся диски колес и ступицы.

Размещено на Allbest.ru