Пятно контакта шины
Пятно контакта шин — так ли важен его размер? — журнал За рулем
LADA
УАЗ
Kia
Hyundai
Renault
Toyota
Volkswagen
Skoda
Nissan
ГАЗ
BMW
Mercedes-Benz
Mitsubishi
Mazda
Ford
Все марки
Все, что нужно знать про сцепление шины с дорогой, рассказывает эксперт «За рулем».
Материалы по теме
Критический износ шин: когда мы рискуем перейти грань
Чем современнее автомобиль, тем шире его ходовые возможности. Причем неважно, о каком классе идет речь — о премиальном, спорткарах или бюджетниках. Энерговооруженность (соотношение массы и мощности мотора) у новых автомобилей больше. То же самое можно сказать и про эффективность тормозной системы. Да и к настройкам рулевого управления, даже в случае с недорогими машинами, все меньше претензий.
Но как бы ни старались инженеры по доводке ходовой части и специалисты из отдела двигателей и трансмиссии, все их старания зависят от одной простой вещи — сцепления шины с дорогой. Ведь именно через него передаются все ускорения, заставляя автомобиль вовремя остановиться, разогнаться и оставаться на траектории движения.
На мокрой дороге куда важнее не площадь пятна контакта, а способность протектора быстро отводить потоки воды в точке соприкосновения шины с дорогой, чтобы не возник эффект аквапланирования.
На мокрой дороге куда важнее не площадь пятна контакта, а способность протектора быстро отводить потоки воды в точке соприкосновения шины с дорогой, чтобы не возник эффект аквапланирования.
Материалы по теме
Тормозим на широких шинах — результат вас удивит
Многие стремятся установить на свой автомобиль шины как можно большей ширины. Разумеется, довод один — широкая шина имеет большее пятно контакта, то есть большую опорную поверхность колеса. В результате автомобиль будет более устойчивым в поворотах, лучше разгоняться и т.д.
На самом деле это не совсем так. Конечно, при условии одинаковых моделей шин разница будет, но ее можно поймать лишь в экстремальных ситуациях. Да и водителей, способных это ощутить, можно пересчитать по пальцам — как бы обидно это ни звучало в отношении всех прочих. Ведь площадь этого самого пятна примерно равна ладони взрослого человека. Не больше. И с изменением ширины шины оно меняется не так сильно, как многим кажется.
При резких маневрах на сухом асфальте площадь пятна контакта отходит на второй план. А залогом хорошей управляемости автомобиля становится коэффициент сцепления шин с дорогой.
При резких маневрах на сухом асфальте площадь пятна контакта отходит на второй план. А залогом хорошей управляемости автомобиля становится коэффициент сцепления шин с дорогой.
Материалы по теме
Большой тест 13 моделей летних шин. Результаты — неожиданные
Важную роль играет и сама шина, в частности коэффициент сцепления с дорогой. Он зависит, в первую очередь, от состава резиновой смеси. Словом, на управляемость влияет комплекс факторов. И площадь пятна контакта в совокупности с коэффициентом сцепления шины. А еще состояние шин, то есть степень их износа. К примеру, если шина изношена на 75%, то в статичном положении разница в площади пятна контакта (в сравнении с такой же новой шиной) будет минимальна. Однако в движении все иначе. По мере набора скорости пятно контакта изношенной шины будет уменьшаться по экспоненте и после 100 км/ч может снизиться на 90% от площади пятна контакта в статичном положении! Для сравнения: у новой шины (с глубиной протектора 7–8 мм) этот показатель при тех же условиях в среднем снижается только наполовину.
То же касается и резких торможений. Толку от большой площади пятна не будет, если сцепления в этом самом пятне нет.
То же касается и резких торможений. Толку от большой площади пятна не будет, если сцепления в этом самом пятне нет.
Материалы по теме
Улучшаем управляемость автомобиля — несколько простых советов
Площадь пятна контакта зависит и от давления в шине. Всегда нужно выставлять рекомендованное производителем давление для конкретного размера шин. Ведь перекачанное колесо в поперечном сечении становится более округлым и площадь пятна значительно уменьшается. То же касается и недокачанного колеса.
Кто-то может подумать, что чуть спущенные шины имеют большее пятно за счет большей деформации. Но это справедливо лишь для мягкой дорожной поверхности (чем пользуются любители внедорожных вылазок). А к твердым покрытиям это не имеет никакого отношения. В этом случае контакт с дорогой осуществляется лишь боковыми дорожками протектора, и общая площадь пятна контакта сильно снижается. Не зря же при полной загрузке автомобиля давление в шинах рекомендуется увеличить: с большей нагрузкой возникает тот же эффект.
Более широкие шины могут навредить управляемости машины. Например, на скользком покрытии. В таких условиях выигрышнее может оказаться шина с меньшим пятном контакта. Особенно это касается шипованных шин. Ведь чем меньше пятно контакта, тем сильнее давление, производимое шиной на поверхность. Благодаря этому шипы сильнее врезаются в лед и сцепление улучшается.
Более широкие шины могут навредить управляемости машины. Например, на скользком покрытии. В таких условиях выигрышнее может оказаться шина с меньшим пятном контакта. Особенно это касается шипованных шин. Ведь чем меньше пятно контакта, тем сильнее давление, производимое шиной на поверхность. Благодаря этому шипы сильнее врезаются в лед и сцепление улучшается.
Шины очень сильно влияют на поведение автомобиля. Поэтому на них никогда не стоит экономить. И не надо гнаться за шинами с минимальной высотой профиля и максимальной шириной. Гораздо важнее выбрать те покрышки, у которых лучшие сцепные свойства (пусть они даже будут меньшего размера). А также следить за их износом и давлением. Это и будет залогом успеха того, что ваш автомобиль будет ехать именно так, как должен.
Пятно контакта шин — важен ли его размер? (Спойлер — нет!)
Все, что нужно знать про сцепление шины с дорогой, рассказывает эксперт «За рулем».
Пятно контакта шин — важен ли его размер? (Спойлер — нет!)
Пятно контакта шин — важен ли его размер? (Спойлер — нет!)
Все, что нужно знать про сцепление шины с дорогой, рассказывает эксперт «За рулем».
Пятно контакта шин — важен ли его размер? (Спойлер — нет!)
Наше новое видео
Peugeot из Ирана: брать или нет? Видео
4 крутых фишки Москвича 3: блиц-тест первого серийного кроссовера
Geely Tugella: ты только посмотри!
Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!
За рулем в Дзен
Новости smi2. ru
Сцепление шины с дорогой не зависит от площади пятна контакта?
Дорогие друзья! Это — старая версия статьи, которая написана в августе 2011 года. Сейчас вышла новая серия статей о сцеплении шин с дорогой из 4 частей, где я изложил тему в более полной и системной форме. Приглашаю вас ознакомиться с ней, вот первая часть статьи: От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 1
В прошлом выпуске я написал о размерах шин, терминологии и некоторых заблуждениях, связанных с шинами. Обсудим теперь, что есть что в размерах шины, и перейдем к следующей порции заблуждений.
Ширина профиля. Площадь пятна контакта
Шина под действием силы тяжести автомобиля деформируется, образуя так называемое пятно контакта. Пример из жизни: если сидящий в автобусе ребенок прислонится носом к окну, то папа с мамой с улицы увидят смешной «пятак» на кончике носа :). Это и есть пятно контакта. Аналогичная картина и с шиной, которая прижимается к дороге.
Среди автолюбителей принято считать, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта шины с дорогой и тем лучше сцепление с дорогой. И, якобы, тем короче тормозной путь, тем лучше маневренность и управляемость машины. А еще иногда думают, что если машина тормозит не прямо, а боком, то тормозной путь будет короче, потому что шире пятно контакта. Это не так.
Сразу приведу доказательства из физики.
Тормозной путь:
S = V2/2µg (1)
Здесь S – тормозной путь, v – скорость движения машины, µ — коэффициент трения шины о дорогу, g – ускорение свободного падения.
Как видно, тормозной путь не зависит от ширины профиля шины и площади пятна контакта шины с дорогой. В этой формуле есть единственный «представитель» от шины – это коэффициент трения, который зависит от природы соприкасающихся тел. В данном случае – от типа дорожного покрытия и от химического состава резиновой смеси протектора шины. Соответственно, и сцепление шины с дорогой зависит от состава резиновой смеси протектора. Поговорим.
Почему же пятно контакта не влияет на силу сцепления?
Очень просто. С одной стороны, чем больше его площадь, тем большим числом «щупальцев» шина цепляется за дорогу. Этот факт лежит на поверхности, и люди охотно думают, что сцепление пропорционально ширине шины. Но есть и другая сторона медали, о которой многие забывают: от размера пятна контакта напрямую зависит вес шины, приходящийся на единицу площади, то есть давление, которое она оказывает своим весом на дорогу. Чем больше площадь контакта, тем меньше давление шины на дорогу. Прошу вас не путать давление шины на дорогу с давлением воздуха в шине :)
Два примера из жизни
Что такое тупой нож и острый нож? Тупой – у которого лезвие толще, а острый – у которого тоньше. Разница всего лишь в давлении, которое нож оказывает, например, на хлеб. Тоньше (т.е. меньше площадь контакта ножа с хлебом) – больше давление, лучше режет, толще – хуже.
Предположим, рыбаку нужно перейти замерзший пруд с тонким льдом. Какие лыжи нужно надеть? Беговые – с шириной около 5 см, или охотничьи – с шириной порядка 30 см? Конечно, охотничьи. Потому что они шире, на них будет меньше давление на лед и ниже вероятность провалиться.
По этой причине, кстати, зимние шины всегда уже летних – чтобы увеличить давление на дорогу и лучше «вгрызаться» в снежно-ледяную корку.
В итоге, если мы увеличиваем площадь пятна контакта (т.е. вместо 205-й шины ставим 255), то мы уменьшаем давление на дорогу. Получается, во сколько раз мы увеличиваем площадь сцепления с дорогой, ровно во столько же раз мы уменьшаем давление на дорогу. Баш на баш – и сцепление не меняется.
Влияет ли на сцепление рисунок протектора?
Как кстати не влияет на сцепление и рисунок протектора. Если вы обратите внимание на гоночные слики, в той же Формуле 1, то они вообще «лысые» и не имеют какого-либо рисунка. Рисунок на летних шинах нужен только для того, чтобы отводить воду из пятна контакта. На сцепление влияет не рисунок, а тип протектора: грязевой, зимний, дождевой, летний. На летних шинах вы увязнете в грязи и снегу, а на грязевых «тракторных» не проедете быстро по извилистой дороге. Но это принципиально разный тип протектора, с разным предназначением.
Возьмите три разных шины Nokian Hakkappeliitta: 4,5 и 7. Рисунок у всех разный, но суть одна, все модели хорошие. Можно также взять топовые зимние шины от разных производителей Nokian, Michelin, Gislaved, Goodyear. У всех рисунки протектора разные, но характеристики схожи. Потому что у всех одинаковое предназначение и зимний тип протектора, имеющий грунтозацепы и ламели, а главное — состав резины. А вот у россиян, не помню точно производителя, есть шина — по рисунку протектора точная копия Goodyear Ultragrip 500. И разница между ними, как между небом и землей, как вы понимаете. Как рисунок не копируй, а без качественного состава резины никуда. И сцепление шины с дорогой зависит не от того, какой рисунок на шине — в ёлочку, полосочку или клеточку, а от состава резиновой смеси.
То есть зимними или летними шины делает тип протектора, а рисунок — единственное, что может «пощупать» покупатель при покупке и что может повлиять на эмоциональное восприятие шины. Конечно, есть любители запаха резины, который стоит в шинных магазинах, но это уже отдельный разговор :)
Что говорят о сцеплении законы физики?
Если снова прибегнуть к помощи формул, то сила трения сцепления (она же сила трения покоя) в отсутствии адгезии (эффекта приклеивания соприкасающихся поверхностей) определяется законом Кулона:
F = µN = µmg (2)
где µ — коэффициент сцепления, N — вес тела (шины, в данном случае), m — масса тела (шины), g — ускорение свободного падения.
Как вы понимаете, дорожные шины не приклеиваются к асфальту, поэтому это как раз наш случай. Как видите, площадь пятна контакта в силу трения покоя вклада не вносит, как и в длину тормозного пути.
Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно закон Кулона переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:
P = N/S = mg/S (3)
где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.
Тогда отсюда можно выразить вес через давление:
N = PS (4)
Теперь, если подставить эту формулу в закон Кулона, получим:
F = µPS (5)
Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака — в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (3). Поставляя сюда выражение для давления, получим:
F = µmgS/S (6)
Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Кулона (2) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.
Шина катится за счет трения качения или… покоя?
Кстати, скажу еще об одном частом заблуждении. Трение бывает разным: трения покоя, качения, скольжения. И часто люди думают, что шина катится за счет трения качения. Не буду углубляться в эти вопросы, напишу кратко. Шина катится за счет трения покоя. То есть во время качения пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги.
Удивлены? А вы обратите внимание на ноги, обувь идущего человека. Как только человек делает шаг, его ступня останавливается, и он перемещает вес с нее на вторую ногу и делает еще один шаг. Выходит, верхняя часть тела человека движется в то время как одна нога покоится. Аналогично ведет себя шина, только она делает много-много маленьких шажочков, перекатываясь с одного элемента шины на другой, и каждый из них в момент переката покоится относительно дороги. Соответственно, во время качения между шиной и дорогой действует сила трения покоя.
Если же пятно контакта начинает двигаться относительно дороги, то это означает скольжение шины, и здесь трение покоя переходит в трение скольжения.
А трение качения — совершенно иной вид трения, возникающий из-за деформации шины и направленный всегда в сторону против направления качения. Чем больше деформация шины, тем выше трение качения. Поскольку спущенная шина деформируется больше накачанной, то напрашивается простой вывод: следите за давлением в шинах и поддерживайте его, согласно указаниям в руководстве пользователя автомобиля. То есть трение качения — паразитный вид трения, от которого, кстати, зависит расход топлива. Если силу трения покоя шины с дорогой конструкторы пытаются увеличить, то силу трения качения всегда пытаются уменьшить.
Выходит, сцепление шины с дорогой — сила трения покоя, и она не зависит от ширины шины и площади пятна контакта.
В чем практический смысл?
А применить в жизни написанное выше очень просто. Сцепление шины с дорогой — основа безопасного вождения, чем оно выше, тем безопаснее вы можете вести машину. Это ни для кого не секрет. Некоторые водители прохладно относятся к тому, какие шины стоят на их машинах, и думаю, что это неважно. Важно! Чуть ли не самое важное, что есть в машине. Но среди тех водителей, которые ценят безопасность, сцепление с дорогой и шины, встречаются те, которые думают, что они улучшат сцепление, если поставят на свой авто более широкие шины. Или еще часто думают, что можно повысить сцепление, установив шины с более «навороченным» рисунком протектора. Как вы уже поняли, это вещи не связанные.
Конечно, широкие шины важны, ведь для чего-то из производят и устанавливают на машины. А для чего нужны широкие шины — мы обсудим в следующей статье или на курсе MBA для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля«, но тормозные свойства машины от них не улучшатся.
Кстати, еще задумайтесь над таким фактом: если было все так просто и широкие шины тормозили бы лучше узких, то производител шин могли бы легко решить проблему зимы — делали бы широченными зимние шины, и все дела! Однако этого не происходит и, более того, происходит обратное: зимние шины, как правило, уже летних…
Итак, чтобы улучшить сцепление шин с дорогой, нужно установить шины, сделанные из резины более высокого качества. Проблема в том, что при покупке шины мы не можем оценить качество состава резины и почти на 100% оцениваем шину визуально — по дизайну протектора, а также по ширине и высоте профиля. На это многие и покупаются…
Как же правильно выбрать шины? К сожалению, четкого ответа на этот вопрос нет. Есть общие соображения, их три.
- ориентируйтесь на тесты шин в автомобильных журналах. Это не панацея, но по крайней мере даст вам общее представление о хороших и не очень шинах.
- выбирайте шины известных производителей. Идея не решит сразу все вопросы, но шины, скажем, Michelin всегда будут лучше отечественной Камы или корейской Kumho.
- выбирайте шины премиум-сегмента или, иначе, с высоким индексом максимальной скорости. У каждого производителя есть шины разного класса, с составом разного качества и с различной силой сцепления с дорогой. Например, у Michelin в линейке есть Economy, Pilot Exalto и Pilot Sport, это, соответственно, шины со средним сцеплением, хорошим и очень хорошим.
И по разной цене. Вот и решайте.
Вы также можете заметить, что хорошие дорогие шины часто бывают шире средненьких эконом-класса, а также с более низким профилем. Это не значит, что ширина напрямую влияет на «держак», но ширина профиля важнее для хорошей шины, чем для шины без претензии на скорость. Об этом и о том, для чего нужны низкопрофильные шины — в следующих статьях.
А пока промежуточный вывод: сцепление шины с дорогой не зависит от ширины шины, площади пятна контакта, дизайна протектора, а зависит от состава резиновой смеси протектора.
Продолжение следует…
Выбор давления в шинах с помощью измерений пятна статического контакта
Установка давления в шинах — одна из самых простых модификаций, используемых для управляемость автомобиля. Поскольку шина является источником генерации силы/момента, она напрямую влияет на управляемость автомобиля.
Выбор давления в шинах вызывает большие споры. Некоторые драйвера залипают с рекомендациями производителя; однако высокое давление в шинах современных транспортные средства имеют противоречивые цели при использовании гусеницы, а именно сопротивление качению. Немного водители выбирают заведомо хорошее значение, основываясь на опыте, но им трудно объяснять свои решения. Проблемы с управляемостью путают с давлением в шинах выбор, заставляющий многих водителей ухудшать управляемость автомобиля или оставлять сцепление с дорогой таблице, снижая потенциал производительности их транспортного средства.
В Apex Performance Engineering мы сталкиваемся с той же проблемой. У нас есть собственные рекомендации, но они основаны на субъективном опыте без хорошего эмпирическое доказательство. Чтобы принять решение, мы смотрим на следы шин на несколько давлений накачки, чтобы понять, как меняется форма пятна контакта.
Из-за уникальной природы каждого транспортного средства и конструкции шин это не общий совет. Давление в шинах вашего автомобиля может сильно отличаться. Представленные здесь советы предназначены для использования в условиях бездорожья. Мы рекомендуем следовать спецификации производителя при движении по дорогам общего пользования.
Давление в шинах влияет на структурные свойства шины и поэтому изменяет способ создания сил и моментов в шинах. Недостаточное давление в шине может нарушить ее структурную целостность, что приведет к боковины могут «перевернуться» или повредить шину. Чрезмерное раздувание шина уменьшает размер пятна контакта, полагаясь на небольшую площадь контакта для генерация силы/моментов.
В ходе экспериментов по давлению в передних и задних шинах мы обнаружили водитель предпочел установить давление в горячих шинах на уровне 28 фунтов на квадратный дюйм. Это был самый низкий инфляционное давление в эксперименте. С тех пор мы следили за этими выводами и предполагается 28 фунтов на квадратный дюйм в качестве целевого давления в горячих шинах.
В то время как соотношение между формой пятна контакта и силой/моментом шины характеристики не очень хорошо изучены (по крайней мере, нами!), мы предполагаем, что есть является некоторой корреляцией, которая оказывается полезной. Мы проверим любые тенденции на ходу тестирование, прежде чем мы дадим окончательные рекомендации.
Статические следы шин сняты с шиной Bridgestone Potenza RE-71R 255/40R17 на Apex Performance Engineering # 991 2000 Honda Civic Hatchback. С шина, покрытая чернилами, транспортное средство устанавливается на листе бумаги, чтобы получить след шины. Мы используем весы, чтобы убедиться, что вертикальная нагрузка является то же самое между следами шин. Было получено шесть следов шин при давлении от 24 фунтов на квадратный дюйм до 34 фунтов на квадратный дюйм.
Следы шин оцифровываются на компьютер для анализа. После некоторого фильтрация изображения и постобработка, мы получаем бинарное изображение, представляющее след шины.
Это аналогичная методика, используемая исследовательскими лабораториями и подлежащая стандарту ASTM F870. Хотя мы не исследовательская лаборатория, мы определенно можем применить одни и те же идеи (по бюджету) для получения интересных результатов!
Чтобы получить представление о размере и форме следа шины, давайте сравните их все вместе в одном изображении. Изображения сосредоточены вокруг геометрический центроид, чтобы обеспечить последовательное сравнение между инфляцией давления. Контур, окружающий след, представляет собой форму пятна контакта. полученный в результате постобработки.
При визуальном осмотре видно, что давление воздуха влияет на размер пятна контакта. Если вы обратите пристальное внимание, вы можете увидеть след расширяется как в длину, так и в ширину при снижении давления. Центроид делает не сильно перемещаться между различными уровнями инфляционного давления.
Чтобы получить количественную оценку этих изменений, мы можем использовать обработку изображений методы для извлечения таких показателей, как длина, ширина и площадь контакта. В нашем При анализе площадь контакта представляет собой общую площадь, окруженную контуром пятна контакта.
Длина пятна контакта уменьшается по мере увеличения давления накачивания, но насыщает при 32 psi. Длина пятна контакта остается прежней (4,05 дюйма) выше этого давления. Эта тенденция коррелирует с нашим субъективным тестированием опыт, при этом водитель более чувствителен к инфляционному давлению ниже 30 фунтов на квадратный дюйм и менее чувствительны к изменениям давления накачки выше 30 фунтов на квадратный дюйм.
Ширина пятна контакта уменьшается по мере увеличения давления накачки. Контакт ширина участка выглядит так, будто он насыщается ниже 24 фунтов на квадратный дюйм; однако недостаточно данных присутствует, чтобы сделать этот вывод.
Площадь пятна контакта уменьшается по мере увеличения давления накачки. Этот отношение, по-видимому, линейно коррелирует с давлением. Выброс в 28 лет фунтов на квадратный дюйм из-за того, что при обнаружении формы пятна контакта отсутствует внешнее «ребро», уменьшение расчетной площади пятна контакта.
Наша внутренняя рекомендация заключалась в том, чтобы установить давление горячей накачки на уровне 28 фунтов на квадратный дюйм. Хотя это разумная рекомендация, анализ показывает, что мы можем увеличить площадь пятна контакта, уменьшив давление накачки ниже 28 фунтов на квадратный дюйм
Длина пятна контакта показывает наибольшую чувствительность около 26 psi и становится нечувствительны к изменениям давления накачки около 32 фунтов на квадратный дюйм. Стратегия гонки будет повлиять на ваше решение о давлении в шинах. Выбор давления в шинах около 26 фунтов на квадратный дюйм может обеспечить большее сцепление из-за увеличенной длины пятна контакта и области, но будет более чувствителен к отклонениям в обращении, вызванным термическим индуцированные изменения давления. В атаке на время, где необходима максимальная хватка, это может стоит рискнуть!
Короче говоря, наши находки показывают Honda Civic Hatchback #991 2000 года выпуска с колесными дисками 255/40R17. Шины Bridgestone Potenza RE-71R имеют широкий рабочий диапазон давлений. до 24 фунтов на квадратный дюйм. Наше предыдущее предположение, вероятно, означает, что мы чрезмерно раздуваем шины. Мы можем увеличить площадь контакта с шиной, уменьшив давление в шине на 2. пси или больше. Это будет проверено с использованием субъективной оценки водителя и данных приобретение для проверки результатов.
В этом анализе отсутствуют два основных параметра: вертикальная нагрузка и угол наклона. Это тема, которую мы надеемся исследовать в будущем!
Выбор оптимального давления в шинах для дня круга или автокросса испытывающий. Статические следы шин — это простой автономный метод, который может помочь вам выбрать наилучшее давление в шинах для вашей комбинации шин и транспортных средств. Простота этого метода означает, что его можно применять к любому дорожному транспортному средству.
Использование следов шин для анализа пятна статического контакта помогает нам понять влияние давления в шинах. Эта техника позволяет нам напрямую визуализировать его влияние на шину. Поскольку шины имеют решающее значение для производительности вашего дорожного транспортного средства выбор давления в шинах является одним из основных соображений.
Руководящим принципом Apex Performance Engineering является разработка система «автомобиль-водитель» в целом. Заинтересованы в том, как настройка шасси может улучшить вождение? Отправьте нам сообщение на Фейсбук или же Инстаграм!
Я хотел бы поблагодарить следующих лиц за их вклад в эту статью:
- Пинг Чжан по адресу Apex Performance Engineering за предоставление своего времени, гоночного автомобиля и весов, которые использовались для получения следов шин.
Спасибо за сотрудничество и за то, что сделали эту работу возможной!
- Gerald Nembhard на Stage Four Motorsports за его фантастическую работу по подготовке автомобиля. Без его помощи машина не была бы готова к этому эксперименту!
- «След». Смитерс Рапра. По состоянию на 1 августа 2019 г. https://www.smithersrapra.com/testing-services/by-sector/automotive/tire-testing/footprint.
- Вудворд, Дэвид, Филлип Миллар, Крис Тирни и Кэмпбелл Уодделл. «Статический контактный участок некоторых устройств измерения трения», nd, 13.
- «ASTM F870-94 (2016)». ASTM International — международные стандарты. По состоянию на 1 августа 2019 г. https://www.astm.org/Standards/F870.htm.
Моделирование области пятна контакта шины
Колеса и шины можно считать одними из самых сложных компонентов для моделирования и правильного моделирования в моделировании CFD. Это связано с тем, что, в отличие от подрессоренных частей автомобиля, колеса находятся в постоянном вращении относительно системы отсчета, установленной на самом автомобиле. Кроме того, обтекание области колеса крайне нестационарно и сложно, многие области склонны к отрыву.
Особенно сложной для моделирования областью является пятно контакта между колесом и землей. Этот регион является темой данной статьи.
Содержание
- 1 Контактный патч
- 2 МЕСА
- 2.1. Лучший вариант
- 3 Установка корпуса
- 4 Результаты
- 4.1 Conturs
- 4.2. Заключение
- 6 Литература
Пятно контакта
В случае сплошного цилиндра контакт между цилиндрической поверхностью и плоской поверхностью будет осуществляться через контактную линию. Однако в случае колеса этот контакт представляет собой поверхность — пятно контакта, размер которого зависит от жесткостных характеристик и нагрузки шины.
Шина в связи с тем, что на нее действует нагрузка —вес автомобиля—, имеет радиальный прогиб $\rho$. Это приводит к тому, что колесо деформируется и теряет свою круглую форму — боковые стенки выпирают, рисунок сжимается и искажается, а шина соединяется с землей, образуя пятно контакта (Hobeika & Sebben, 2018).
Воспроизведение деформированной формы обычно опускается при моделировании CFD, хотя пятно контакта все еще учитывается.
Все это приводит к уменьшению эффективного радиуса (свободного качения), который определяет круг скольжения. При свободном качении продольная скорость точки S , лежащей на круге скольжения, в самом нижнем ее положении становится равной нулю. Имеем при свободном качении по ровной дороге скорость центра колеса в прямом направлении, определяемую как
$$ V_x = r_e \Omega $$
, где $\Omega$ обозначает скорость вращения тела колеса (Pacejka и Бесселинк, 2012). Этот уменьшенный эффективный радиус следует учитывать при определении наших граничных условий.
Эффективный радиус качения и скорость продольного скольжения (Pacejka and Beselink, 2012).Но не будем отклоняться от темы: моделирование области пятна контакта. Поскольку зацепление зоны контакта между землей и шиной создает ячейки с большим перекосом — острое соединение — обычно вводят ступеньку по периметру пятна контакта.
Но я нашел пару других вариантов, как мы увидим ниже.
Сетка
Я создал три сетки — на основе модели DrivAer — чтобы показать некоторые из различных подходов, доступных при работе с этой сложной областью:
- определяет вертикальную стенку с заранее заданной толщиной, чтобы избежать разрушения призматических ячеек,
- сохраняет предыдущую вертикальную стенку с призматическими ячейками снаружи, но создает сетку внутреннего клина только с тетраэдрами, и
- определяет область вблизи до контакта колеса с дорогой, где не допускается использование призматических ячеек.
Три сетки можно увидеть на следующих рисунках.
Результаты представляют собой относительно мелкие сетки с 12 призматическими слоями и мишенью y+ ниже 6 — вязкий подслой—, что в сумме составляет ~9миллионов клеток. Только в области пятна контакта, где призматические слои отключены, y+ увеличивается, хотя и остается в пределах логарифмической области.
Лучший вариант
Например, структурированные сетки могут расширять призматические слои ближе к краю контакта шины с полом, объединяя два сходящихся слоя в один, как в исследовании, проведенном Diasinos et al. (см. рисунок ниже). Это было бы идеально, так как мы будем разрешать вязкий подслой вплоть до земли.
Мелкая сетка в пятне контакта колеса с землей, полученная Diasinos et al.Настройка случая
Допущение об устойчивом состоянии используется — как это принято в промышленности — с подходом MRF для моделирования вращения колесных дисков. Для турбулентности использовался вариант Ментера SST модели k-omega. Наконец, в таблице можно найти перечень основных граничных условий, используемых при расчетах.
Граница : вход outlet farfield wheel p zeroGradient fixedValue
uniform 0zeroGradient zeroGradient U fixedValue
uniform ( 30 0 0)нулевой градиент скольжение rotateWallVelocity
омега 96,774k fixedValue
uniform 0.135
zeroGradient zeroGradient kLowReWallFunction*
uniform 0.135omega fixedValue
uniform 893.819zeroGradient zeroGradient omegaWallFunction
uniform 893.819nut рассчитанный
универсальный 0рассчитанный
универсальный 0рассчитанный
универсальный 0nutUSpaldingWallFunction
uniform 1e-10*Для области шины, где не были выращены призматические слои, мы использовали kqRWallFunction.
Результаты
Оба случая повторялись до тех пор, пока интересующая переменная — коэффициент лобового сопротивления — не достигла асимптотического значения. Результаты, основанные на последних 500 итерациях, показаны в следующей таблице.
Чемодан Коэффициент аэродинамического сопротивления Без пятна контакта шаг 0,4954 ± 0,0002 Со ступенькой пятна контакта 0,4582 ± 0,0001 Сопротивление модели со ступенькой было меньше полученного примерно на 7,5 %.
Меньшая разница по сравнению с разницей в 20%, полученной Diasinos et al. в своем исследовании между самым высоким и самым маленьким шагом, несмотря на то, что их шаги относительно меньше. Эта меньшая разница в сопротивлении может быть связана с неполным определением пограничного слоя вблизи пятна контакта для случая без уступа, что было бы важно для правильной оценки сил в этой области, а также с различиями в размерах шин. уже и выше.
Контуры давления
На рисунках выше показаны контуры коэффициента давления в плоскости, проходящей через центр колеса, а на следующем графике показан коэффициент давления вдоль центральной линии шины. Кривая начинается со стороны колеса, подвергающегося воздействию потока, и координата 0 была установлена в точке, где ступенька пересекается с шиной — пунктирные линии представляют собой координаты начала ступеньки — с положительной длиной дуги, следующей за контуром. шины по часовой стрелке.
Теперь, если вам интересно, как коэффициент давления может быть больше 1, это происходит из-за того, что движущиеся границы передают энергию потоку через касательные напряжения в сходящихся пограничных слоях.
Очевидно, что давление на большей части верхней половины покрышки практически одинаково на обеих моделях. Но более низкое давление вблизи контактного пути для модели с уступом ослабляет струйное течение. В результате это уменьшает поток воды вниз и смещает точку отрыва вперед в верхней части колеса. Это также приводит к несколько более высокому давлению в задней части шины, что после интегрирования приводит к меньшему сопротивлению.
Контуры полного давления
Различия в струйном течении и нисходящем потоке можно увидеть на следующих рисунках, на которых показаны изолинии коэффициента полного давления в плоскостях, перпендикулярных набегающему потоку при x/d = 1. На изображениях видно что поток вниз несколько сильнее, хотя и едва заметен, когда ступенька не включена в модель.
Также в случае без уступа след шире из-за более высокого давления, усиливающего струйный поток. Это также хорошо видно сверху. На обоих изображениях клипса расположена на высоте 5 мм над землей.
Скорость
Как мы видели ранее, поле давления в верхней половине колеса почти одинаковое. Это наводит нас на мысль, что поле скоростей в этой зоне также будет очень похожим; практически нет различий в точке отрыва потока. Но след зависит от пятна контакта, как мы видим на следующих изображениях.
Заключение
В этот момент вы можете задаться вопросом, стоит ли тратить время на моделирование шины самостоятельно. Потому что, как вы знаете, шины обычно крепятся к шасси; и либо открытым, как в открытом колесе, либо закрытым рулевой рубкой. Но позвольте мне заверить вас, что это не всегда так...
В любом случае, в этой статье мы сосредоточились на оценке последствий моделирования без или с шагом области пятна контакта.
Эта область колеса всегда открыта, будь то Формула или обычные автомобили. Следовательно, это деликатная область, влияние которой на аэродинамику остальной части транспортного средства будет распространяться в большей или меньшей степени в зависимости от того, как эта область моделируется. В автомобилях Формулы, в основном, след переднего колеса может повлиять на прогноз эффекта земли — очень важной части прижимной силы — в то время как в обычных автомобилях, среди прочего, будет варьироваться прогнозирование следа всего автомобиля. и поэтому тяга.
Короче говоря, очень деликатная область для моделирования, которая до сих пор ставит инженеров с ног на голову.
Ссылки
Чавушоглу, О. Ф. (2017). Аэродинамика вокруг колес и рулевых рубок (магистерская диссертация). Технологический университет Чалмерса, Гетеборг.
Диасинос, С., Барбер, Т.Дж., и Дойг, Г. (2015). Влияние упрощений на аэродинамику изолированного колеса. Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики , 146 , 90–101.
Хааг, Л., Блаха, Т., и Индингер, Т. (2017). Экспериментальное исследование аэродинамики изолированных вращающихся колес и оценка моделей вращения колес с использованием нестационарного CFD. Международный журнал автомобильной инженерии , 8 (1), 7–14.
Хааг Л., Киват М., Индингер Т. и Блаха Т. (2017). Численные и экспериментальные исследования аэродинамики вращающегося колеса на модели DrivAer с обтеканием моторного отсека. Том 1B, Симпозиумы: Измерение жидкости и контрольно-измерительные приборы; Гидродинамика энергии ветра; Преобразование возобновляемых и устойчивых источников энергии; Энергетика и технологическая инженерия; микрофлюидика и нанофлюидика; Разработка и приложения в вычислительной гидродинамике; DNS/LES и гибридные методы RANS/LES .
Хобейка, Т., и Себбен, С. (2018). CFD-исследование по моделированию вращения колеса. Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики , 174 , 241–251.
Ноулз, Р.
