FTN Novi Sad Katedra za motore i vozila. Teorija kretanja drumskih vozila Prijanjanje i klizanje

Transcript

1 PRIJANJANJE I KLIZANJE

2 Uslov kotrljanja točka TRENJE PRIJANJANJE IZMEĐU TOČKA I PODLOGE Kulonovo trenje uprošćen matematički model, važi za kruta tela tj. nedeformabilne materijale Ne važi za gumu Guma PRIJANJANJE F T > 0 USLOV KOTRLJANJA

3 Prijanjanje Mera kontakta između pneumatika i podloge u horizontalnom pravcu, pod dejstvom kontaktnog pritiska (točak: vertikalno opterećenje) Mera mogućnosti za realizaciju tangencijalne reakcije između pneumatika i podloge Mera suprotstavljanja proklizavanju točka Analogija sa Kulonovim trenjem: F T < F TMAX NEMA PROKLIZAVANJA Aktivno dejstvo F TMAX =µ G

4 Prijanjanje - terminologija Lat. ADHAESIO prijanjanje, privlačnost ADHEZIJA značenje u izučavanju vozila značenje u fizici PRIJANJANJE MERA KONTAKTA PNEUMATIKA I PODLOGE U TANGENCIJALNOM PRAVCU MOLEKULARNA ADHEZIJA SILA PRIVLAČENJA MOLEKULA RAZLIČITIH MATERIJALA JEDNA OD KOMPONENATA PRIJANJANJA PRIJANJANJE ADHEZIJA

5 Mehanizam prijanjanja gume *) *) materijal ŠTA SPREČAVA KLIZANJE GUME PO PODLOZI? Mehanizmi koji se suprotstavljaju relativnom klizanju gumenog segmenta u odnosu na podlogu Mikroneravnine puta guma v put molekularna adhezija deformacija ( histerezis )

6 Mehanizam prijanjanja 1. komponenta: molekularna adhezija Sila međusobnog privlačenja molekula različitih materijala F M.A. = τ A F M.A τ A sila molekularne adhezije koja se suprotstavlja klizanju gumenog objekta po podlozi smicajni napon u kontaktnoj površini efektivna veličina kontaktne površine

7 Mehanizam prijanjanja 2. komponenta: histerezis Sile pri nailasku na neravninu su zbog unutrašnjeg trenja veće nego pri silasku sa neravnine rezultujuća reakcija podloge je usmerena suprotno od smera relativnog klizanja Dolazi do deformacije i zaklinjavanja suprotstavljanje unutrašnjeg trenja u materijalu (gumi) deformacijama F H = ΣF Hi Ukupna sila histerezisa jednaka je sumi pojedinačnih dejstava na svim mikroneravninama podloge u kontaktu sa gumom Izvor: P. Haney: The Racing & High-Performance Tire

8 Mehanizam prijanjanja PRIJANJANJE = MOLEKULARNA ADHEZIJA + HISTEREZIS Dominantna na suvoj podlozi Dominantna na vlažnoj podlozi Molekularna adhezija raste sa padom površinskog pritiska tj. sa povećanjem površine Histerezis opada sa padom površinskog pritiska PRIJANJANJE JE BOLJE KADA JE: Suva podloga VEĆA POVRŠINA (širi pneumatik!) Vlažna podloga VEĆI POVRŠINSKI PRITISAK (uži pneumatik!)

9 Mehanizam prijanjanja Ključni parametri prijanjanja gume na tvrdoj podlozi: Sastav smeše u gazećem sloju Relativna brzina klizanja Vertikalno opterećenje i raspodela kontaktnog pritiska Temperatura Odnos dezena gazećeg sloja i mikroreljefa podloge

10 Koeficijent prijanjanja ϕ G T vertikalno opterećenje točka ϕ = R G X T KOEFICIJENT PRIJANJANJA MERA ISKORIŠĆENJA RASPOLOŽIVOG PRIJANJANJA R X stvarna tangencijalna reakcija ϕ promenljiva veličina, zavisna od brojnih faktora R X = ϕ G T trenutna vrednost R XMAX = ϕ MAX G T maksimalna moguća vrednost RAZLIKE IZMEĐU ϕ I µ

11 Koeficijent prijanjanja ϕ M T ϕ = R G X T KOEFICIJENT PRIJANJANJA R X = F O - F ft stvarna tangencijalna reakcija F O = M T / r D obimna sila F ft ima približno konstantnu vrednost i relativno je mala u odnosu na R XMAX Razmatranje prijanjanja je obično od interesa za vučne sile bliske maksimalno ostvarljivim FO U praksi se radi pojednostavljenja obično usvaja: ϕ = G T

12 Koeficijent prijanjanja ϕ Na prijanjanje utiču: klizanje točka (s) OSNOVNI UTICAJNI FAKTOR U DINAMICI VOZILA vertikalno opterećenje točka brzina kontaktni pritisak i njegova raspodela vrsta i stanje podloge, prisustvo vlage i primesa konstruktivne karakteristike pneumatika smeša materijal i dezen ( šara ) gazećeg sloja pneumatika temperatura pneumatika i podloge itd. Faktori koji definišu karakter zavisnosti prijanjanja od klizanja (oblik krive ϕ = ϕ(s))

13 Klizanje točka - definicija DEFINICIJA: Pod klizanjem se podrazumevaju sve pojave koje dovode do toga da se stvarna translatorna brzina točka v razlikuje od teorijske brzine r D ω T. Pogonski točak: stvarna translatorna brzina manja je od teorijske (granični slučaj: v=0) Kočeni točak: stvarna translatorna brzina veća je od teorijske (granični slučaj: ω T =0) Detaljnije u nastavku. Izvor: D. Simić v = r D ω T ± v s Slučaj krutog točka za elastičan točak potreban drugačiji pristup! v s =0 v s v s Relativna brzina klizanja

14 Klizanje točka - definicija DEFINICIJA: UKUPNO KLIZANJE TOČKA S KOČENI TOČAK: POGONSKI TOČAK: s = s = v rd ωt v rd ωt v r ω D T rd ω = 1 v v = 1 r ω D T T v ω T UZROCI I TERMINOLOGIJA UKUPNO KLIZANJE TOČKA = ELASTIČNA DEFORMACIJA TOČKA + + RELATIVNO KLIZANJE ELEMENATA KONTAKTNE POVRŠINE UKUPNO KLIZANJE TOČKA = KLIZANJE ELASTIČNA DEFORMACIJA TOČKA = DEFORMACIONO KLIZANJE RELATIVNO KLIZANJE ELEMENATA KONT. POVRŠINE = PROKLIZAVANJE Kod krutog točka može da postoji samo PROKLIZAVANJE!! Kod elastičnog točka javlja se i DEFORMACIONO KLIZANJE!!!

15 Klizanje točka RELATIVNO KLIZANJE ELEMENATA KONTAKTNE POVRŠINE Objašnjenje: Kontaktna površina može proklizavati kao celina ili može doći do proklizavanja samo pojedinih njenih delova. Detaljnije u nastavku.

16 Klizanje točka Jako uprošćen prikaz deformacije radijalnih segmenata kao uzroka pojave deformacionog klizanja Slobodan točak Pogonski točak Ugao između radijalnih segmenata je stalan Smanjenje ugla između radijalnih segmenata tangencijalno sabijanje Kontinualna promena deformacije duž kontaktne zone Povećanje ugla između radijalnih segmenata tangencijalno istezanje

17 Mehanizam realizacije obimne sile na točku SLUČAJ POGONSKOG TOČKA M, ω s 1 = v t 1 s MAX = v t MAX v stvarna translatorna brzina kretanja v s - brzina porasta deformacije Na točak deluje pogonski moment M t = 0 t = t 1 t = t MAX Posmatra se jedan segment gazećeg sloja pri prolasku kroz zonu kontakta pneumatika i podloge (posmatramo relativno kretanje segmenta u odnosu na centar pneumatika!) Za vreme prolaska segmenta kroz kontaktnu zonu, on zbog prijanjanja miruje u odnosu na podlogu, ali se elastično deformiše pod dejstvom momenta M Elastična deformacija duž zone raste kontinualno (vidi prethodni slajd!) mora postojati brzina porasta deformacije v s Analogno razmatranje važi i za slučaj kočenog točka, smer deformacije obrnut

18 Mehanizam realizacije obimne sile na točku SLUČAJ POGONSKOG TOČKA M, ω s 1 = v t 1 s MAX = v t MAX v stvarna translatorna brzina kretanja v s - brzina porasta deformacije v = 0! t = 0 t = t 1 t = t MAX Translatorna brzina kretanja centra točka: v = r D ω T - v S v r D ω T POSTOJI KLIZANJE, iako nije manifestovano relativnom brzinom između kontaktnih elemenata i podloge (proklizavanjem) već deformacijom (unutrašnjim pomeranjima)!

19 Mehanizam realizacije obimne sile na točku SLUČAJ POGONSKOG TOČKA Sa porastom pogonskog momenta M: povećava se deformacija, dakle povećava se brzina v S, dakle za isto ω T opada translatorna brzina v odnosno povećava se klizanje. s rd ωt v = r ω D T = 1 r Zavisnost između M (tj. F O!) i klizanja s je u početku približno linearna: D v ω T F O Napomena: iako klizanje predstavlja posledicu momenta M, u dinamici vozila je uobičajeno da se klizanje posmatra kao nezavisno promenljiva s

20 Mehanizam realizacije obimne sile na točku Posmatrana analiza i njeni rezultati odgovaraju stvarnosti samo približno tj. u određenoj meri! Usvojeno je da segment u čitavom toku relativnog kretanja kroz kontaktnu površinu miruje u odnosu na podlogu zahvaljujući prijanjanju, međutim zbog raspodele vertikalnog opterećenja ovo nije moguće Na krajevima kontaktne zone vertikalno opterećenje enje je suviše malo da bi obezbedilo prijanjanje, pa elastična sila vraća segmente u nedeformisani položaj nastaje proklizavanje segmenata po podlozi Zakonitost između maksimalne tangencijalne sile i prijanjanja važi i lokalno: Lokalno: F XMAX (lokalno) = ϕ MAX G (lokalno) Raspodela kontaktnog pritiska ograničava porast lokalne tangencijlane sile G (lokalno) zakon raspodele kontaktnog pritiska

21 Mehanizam realizacije obimne sile na točku Uslov o mirovanju donje strane segmenta na podlozi ne može biti u potpunosti ispunjen Lokalno: F TMAX,Lokalno = ϕ MAX G Lokalno Nagib linije raste sa porastom pogonskog momenta! 1 2 Raspodela kontaktnog pritiska ograničava lokalnu tangencijlanu silu Stvarni zakon raspodele deformacije elementarnih segmenata Elementarne tangencijlane sile su proporcionalne deformacijama elementarnih segmenata! 1 2 Linearni porast deformacije segmenata, nema proklizavanja Smanjivanje deformacije usled dejstva elastične sile proklizavanje segmenata po kontaktnoj površini usled gubitka prijanjanja (pad kontaktnog pritiska)

22 Mehanizam realizacije obimne sile na točku A x Sa porastom pogonskog momenta rastu elastične deformacije, a time i nagib linije u delu 1. U delu 2 elementarne tangencijalne sile, a time i elastične deformacije segmenata, ograničene su uslovima prijanjanja. Zbog pada kontaktnog pritiska, počevši od tačke A pa do kraja kontaktne zone, tangencijalne sile će biti sve manje, a time i deformacije. ε (x) DEFORMACIONO KLIZANJE ε (x) - Zakon raspodele elastične deformacije elementarnih segmenata duž kontaktne površine (x-osa), što je istovremeno i zakon raspodele elementarnih tangencijalnih sila (proporcionalnost između sile i deformacije!) 2 PROKLIZAVANJE Rezultujuća tangencijalna reakcija R X je proporcionalna šrafiranoj površini, ali zavisi i od lokalnih uslova prijanjanja! (za istu površinu vrednost R X može da varira, npr. pri lokalnoj promeni prijanjanja zbog promene brzine proklizavanja)

23 Mehanizam realizacije obimne sile na točku Izvor: Rennwagentechnik

24 Mehanizam realizacije obimne sile na točku Svako saopštavanje pogonskog ili kočnog momenta točku (dakle pojava obimne odn. kočne sile) uzrokuje klizanje! Kada se točku saopštava pogonski moment, njegova translatorna brzina v je manja od r D ω T (granični slučaj: v=0, r D ω T >0) Kada se točku saopštava kočni moment, njegova translatorna brzina v je veća od r D ω T (granični slučaj: v>0, r D ω T =0) GEOMETRIJSKA INTERPRETACIJA ZA KRUTI TOČAK KOČENI POGONSKI v = v s + r D ω T s = v rd ω v T v v v = r D ω T - v s s = rd ωt v r ω D T v s v s v s = v - r D ω T - brzina klizanja

25 Veza tangencijalne sile i klizanja Saopštavanje pogonskog ili kočnog momenta točku uzrokuje pojavu klizanja i uspostavljanje tangencijalne reakcije R X. R X R X = R XMAX OPŠTI OBLIK FUNKCIJE NA TVRDIM PODLOGAMA 1 ϕ s 2 R X = R Xs 3 objašnjenje 0 s 10-15% s=100% s

26 Veza tangencijalne sile i klizanja Zavisnost između sile i klizanja je u početku (za manje vrednosti sile) približno linearna deo dijagrama od tačke 0 do tačke 1. R X R X = R XMAX 1 ϕ s 2 R X = R Xs 3 Klizanje je pretežno deformaciono. 0 s 10-15% s=100% s

27 Veza tangencijalne sile i klizanja Dalji porast momenta odnosno tang. sile dovodi do neproporcionalnog porasta klizanja, tj. tok sile u funkciji klizanja postaje degresivan deo dijagrama od tačke 1 do tačke 2. R X R X = R XMAX 1 ϕ s 2 R X = R Xs 3 Intenzivira se proklizavanje. ( dovodi do lokalnog pada prijanjanja degresivan tok krive) 0 s 10-15% s=100% s

28 Veza tangencijalne sile i klizanja U tački 2 tangencijalna sila dostiže maksimalnu vrednost. Uslovi prijanjanja između gume i podloge optimalno iskorišćeni, dalje povećanje reakcije nije moguće. Na tvrdim podlogama ovo se dešava kada klizanje iznosi približno 10-15%. R X R X = R XMAX 1 ϕ s 2 R X = R Xs 3 Kontaktna zona je na granici potpunog proklizavanja. 0 s 10-15% s=100% s

29 Veza tangencijalne sile i klizanja Ukoliko se pokuša dalje povećanje momenta, doći će do povećanja ugaone brzine i porasta klizanja, usled čega se lokalno prijanjanje između gazećeg sloja i podloge smanjuje i rezultujuća sila opada deo dijagrama od tačke 2 do tačke 3. R X R X = R XMAX 1 ϕ s 2 R X = R Xs 3 Kontaktna zona proklizava kao celina. Uslovi prijanjanja lošiji zbog povećanja relativne brzine klizanja R X opada. 0 s 10-15% s=100% s

30 Veza tangencijalne sile i klizanja U tački 3 klizanje iznosi 100%, translatorna brzina pogonskog točka odnosno obimna brzina kočenog točka jednaka je nuli, sila R X ima vrednost manju od maksimalne. R X R X = R XMAX 1 ϕ s 2 R X = R Xs 3 Kontaktna zona proklizava kao celina. 0 s 10-15% s=100% s

31 Zavisnost koeficijenta prijanjanja od klizanja ϕ = R G X T odnosno ϕ F G O T na vertikalnu osu stavljamo ϕ umesto R X ϕ ϕ MAX ϕ s s 10-15% s=100% s

32 ϕ Uticaj prijanjanja na mogućnost savlađivanja otpora Maksimalna obimna sila koja se može realizovati: F OMAX = G ϕ ϕ MAX Da bi vozilo moglo da se kreće potrebno je da bude: G ϕ ϕ MAX > F O > ΣF otp ΣF otp1 nije moguće kretanje ΣF otp3 kretanje je moguće ΣF otp2 kretanje moguće ukoliko ne dođe do proklizavanja višak momenta tj. ubrzanje mora ostati ispod određene granice s 10-15% s=100% s Napomena o ravnoteži u stacionarnom stanju motor NE MOŽE da proizvede veći moment nego što od njega zahteva potrošač u ovom slučaju pogonski točak vozila

33 Prijanjanje na različitim vrstama podloge Izvor: Wallentowitz ϕ Suv beton Suv asfalt Vlažan beton Utabani sneg Poledica s (%) Na vlažnim podlogama prijanjanje sa porastom klizanja opada mnogo brže nego na suvim. primer: Uroš Branković MSC rad

34 Prijanjanje na različitim vrstama podloge Izvor: Reimpell U slučaju kočenja na deformabilnim podlogama može doći do izvesnog porasta prijanjanja sa klizanjem, zbog deformacionog rada na formiranju prepreke ispred točka i njenom daljem potiskivanju.

35 Prijanjanje uticaj brzine i težine 1.0 ϕ [ ] pneumatik 11.00x20/F 5km/h km/h64 s [%] ZAVISNOST PRIJANJANJA OD POČETNE BRZINE PRI KOČENJU - opadanje prijanjanja sa porastom brzine vozila, naročito pri većim brzinama - pri manjim brzinama kretanja, prijanjanje u funkciji klizanja ima mali pad za s=5-100 (%) - kod brzina manjih od 1.35 [km/h] φ=const Izvor: V. Muzikravić Ko č iona sila [kn] pneumatik 11.00x20/F 40.9kN 24.8kN 9.45kN s [%] POVEĆANJE TEŽINE VOZILA UTIČE NA SMANJENJE PRIJANJANJA - ukupne težine vozila od 9.45, 24.8 i 40.9 kn - koeficijenti prijanjanja za klizanje od 100 (%) imaju vrednosti 0.741, 0.56 i 0.48

36 Degresivan porast maksimalne obimne sile sa vertikalnim opterećenjem Sa povećanjem G T povećava neravnomernost raspodele kontaktnog pritiska (histerezis!) U prednjem delu kontaktne površine zbog većeg eg pritiska bolji uslovi prijanjanja neiskorišćeni zbog linearnog porasta deformacije po dužini kontaktne površine U zadnjem delu brže opada kontaktni pritisak i pogoršavaju se uslovi prijanjanja Ukupan efekat je degresivsan porast F O što se manifestuje kroz smanjenje ϕ (Prema: Rill, Simulation von Kraftfahrzeuge)

37 Prijanjanje uticaj pritiska u pneumatiku Prema: How to make your car handle

38 Prijanjanje na ledu uticaj temperature ϕ MAX Izvor: Reimpell T ( C) 0 C podmazivanje leda tečnom fazom

39 Prijanjanje uticaj vlažnosti podloge i dubine šare ϕ [ ] suva 2 podloga UTICAJ DUBINE ŠARE dubina šare 2 mm dubina šare 8 mm vlažna 0.6 podloga suva podloga pneumatik: 195/65 R15 91H 1 1. φ=1.27, s=10 % φ=1.12, s=16 % opterećenje: 3500 N brzina: 30 km/h 0.2 pritisak: 2.5 bar podloga: asfalt 0/11 s[%] Izvor: V. Muzikravić

40 Orijentacione vrednosti klizanja u pojedinim stepenima prenosa (Prema: Reimpell-u) Primena: za korekciju brzine kretanja pri izračunavanju za vučni dijagram

41 Modeliranje zavisnosti klizanja i prijanjanja Analitičko modeliranje: uzima u obzir fizičke zakone, veoma kompleksno U obzir se uzimaju sledeći fundamentalni faktori: karakteristike interakcije gume i podloge raspodela kontaktnog pritiska elastičnost gume u gazećem sloju elastičnost pojasa i/ili karkase Primer: BRUSH model (model četke sa čekinjama ) Izvor: H. Pacejka Empirijsko modeliranje: Ne uzima u obzir fizičke zakonitosti, uspostavljaju se matematičke relacije između ulaznih i izlaznih podataka na osnovu rezultata merenja i ispitivanja; parametri po pravilu nemaju fizički smisao

42 Modeliranje zavisnosti klizanja i prijanjanja Najpoznatiji primer empirijskog modela: Magična formula, Hans Pacejka D maksimalna vrednost C faktor oblika B faktor krutosti E faktor zakrivljenosti D = 1 1,2 1,2 C = 2,1 1 0,8 0,6 D = 1 1 0,8 0,6 B = 8 E 0,4 0,4 C = 1,9 0,4 0,2 0 B = 8 E 0,85 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1

43 Modeliranje zavisnosti klizanja i prijanjanja Primer empirijskog modela u programu za simulaciju dinamike vozila CarSim ( Look-up Table )

44 Akvaplaniranje Akvaplaniranje predstavlja gubitak kontakta između pneumatika i vlažne podloge usled formiranja hidrodinamičkog klina između njih U tom slučaju gazeći sloj pneumatika kreće se po površini vodene podloge, u horizontalnom pravcu sile su isključivo viskozne praktično potpuni gubitak prijanjanja

45 Akvaplaniranje F f ω G v F f1 ω 1 G v 1 F f2 ω 2 G v 2 l Z l 1 Pritisak tečnosti se suprotstavlja ostvarivanju kontakta između pneumatika i podloge Z 1 H 1 l 2 H 2 Izvor: V. Muzikravić Inercijalne sile pri istiskivanju tečnosti pri većim brzinama kretanja (tj. većem ubrzanju tečnosti) otežavaju istiskivanje Porast brzine, porast debljine vodenog sloja porast tendencije za akvaplaniranjem Nemogućnost istiskivanja vode formiranje hidrodinamičkog klina dinamičko akvaplaniranje Slaba kiša - formiranje "podmazujućeg sloja" sa prašinom i uljem na podlozi viskozno akvaplaniranje, brzine nastanka su manje nego kod dinamičkog 80 km/h 25 l/s Izvor: khg-online.de

46 Akvaplaniranje Prijanjanje na vlažnoj podlozi ostvaruje se pretežno putem histerezisne komponente (deformacija i zaklinjavanje gume u mikroprofil podloge) Povišenje pritiska u pneumatiku bolje istiskivanje vode, veća histerezisna komponenta prijanjanja v KR = 6,34 p kritična brzina akvaplaniranja (empirijski) Što razuđeniji protektor - viši lokalni kontaktni pritisci raspoloživi za istiskivanje tečnosti + veći prostor za odvođenje tečnosti Uticaj mikroprofila podloge: prijanjanje, mogućnost drenaže Uži pneumatik: viši kontaktni pritisci

47 Akvaplaniranje ϕ MAX Izvor: Reimpell Uticaj brzine i debljine vodenog filma