OUL UNYL I OPI S TO. KONE TE KNI I KKA UNI VE RS I TYOFOUL U. ME CHANI CALE NGI NE E RI NG Ou l u RE NKAI DE NVAI KUTUSAJ ONE UVOYHDI S TE L MÄN KÄYTTÄYTYMI S E E N Ma u r i Ha a t a j a Ma t t e u sj ä ms ä J a n n ekor h on e n L e opy h t i n e n Ra p or t t i n : o1 Ou l u2 0 1 4
OULUN YLIOPISTO. KONETEKNIIKKA UNIVERSITY OF OULU. MECHANICAL ENGINEERING Oulu RENKAIDEN VAIKUTUS AJONEUVOYHDISTELMÄN KÄYTTÄYTYMISEEN Mauri Haataja Matteus Jämsä Janne Korhonen Leo Pyhtinen Raportti n:o 1 Oulu 2014
Päätoimittaja: Osoite: yliopistonlehtori Hannu Koivurova Oulun yliopisto Konetekniikka PL 4200 90014 OULUN YLIOPISTO Kannen kuvat Ville Heinonen Kannen suunnittelu Johanna Pétursdóttir ISBN 978-952-62-0410-9 ISBN 978-952-62-0411-6 (PDF) ISSN 2342-2599 OULUN YLIOPISTO Juvenes Print Oulu 2014
TIIVISTELMÄ Mauri Haataja, Matteus Jämsä, Janne Korhonen, Leo Pyhtinen Renkaiden vaikutus ajoneuvoyhdistelmän käyttäytymiseen Oulun yliopisto. Konetekniikka. Raportti n:o 1 Oulun yliopisto, Konetekniikka, PL 4200, 90014 OULUN YLIOPISTO Oulu 2014 Ivalon lentokentällä 13.3.2012 15.3.2012 suoritetuissa talvirengastesteissä tutkittiin renkaiden vaikutusta ajoneuvoyhdistelmän käyttäytymiseen. Koeajojärjestelyistä vastasi Nokian Renkaat ja heidän yhteistyökumppanit. Koeajoneuvoina oli kaksi melko uutta ja rakenteeltaan samanlaista 43 t kokonaismassaan kuormattua täysperävaunuyhdistelmää. Toinen yhdistelmä varustettiin uusilla renkailla ja toinen kuluneilla renkailla. Rengastesteihin sisältyi jarrutuskokeet, ISO 3888 1 standardin mukaiset kaksoiskaistanvaihtokokeet sekä kiihdytyskokeet. Koeajoja suoritettiin ilman lämpötilan ollessa -4,7...+1,6 C pääasiassa kovalla ja jäädytetyllä polanteella. Yhdistelmät varustettiin useilla kiihtyvyys- ja gyroantureilla, ohjausakselin kääntökulma-anturilla, GPS-paikantimella sekä tiedonkeruujärjestelmällä. Koeajojen aikana tuloksia monitoroitiin. koeajojen jälkeen mittausdata käsiteltiin ja analysoitiin MATLAB -ohjelmalla. Tuloksista on määritetty yhdistelmän käyttäytymistä kuvaavia suureita. mittaustulosten perusteella on muodostunut kokonaiskuva ja käsitys uusien ja kuluneiden renkaiden vaikutuksista yhdistelmän ajokäyttäytymiseen.
Jarrutuskokeissa uusilla renkailla saavutettiin pääasiassa yhtä suuria tai suurempia keskimääräisiä hidastuvuuksia kuin kuluneilla renkailla. Kuluneilla renkailla saavutettiin keskimäärin 29 % alhaisempi keskimääräinen hidastuvuus kuin uusilla renkailla. Tulosten ja havaintojen perusteella uusilla renkailla saavutettiin kuluneisiin renkaisiin nähden suurimmat hidastuvuudet olosuhteissa, joissa uudet karkeakuvioiset vetävän akselin renkaat pystyivät pureutumaan ajoradan pintaan parhaiten. Kaksoiskaistanvaihtokokeissa uuden ja kuluneen rengastuksen havaittiin käyttäytyvän eri tavoin. Ohjaavan akselin renkaiden sivuttaispito oli uusilla renkailla huomattavasti parempi kuin kuluneilla renkailla. Uusilla renkailla varustetun yhdistelmän rajanopeus määräytyi pääasiassa dollyn sivuttaisheilahtelun perusteella. Havaittiin, että kuluneilla renkailla dollyn sivuttaisheilahtelu rajoitti ajonopeutta ja vaikutusta lisäsi vetoauton aliohjautuminen. Rajanopeuden suhteen renkaiden suorituskyky toisiinsa nähden vaihteli olosuhteiden mukaan samankaltaisesti kuin jarrutuskokeissa. Kuluneilla renkailla rajanopeus oli yhtä suuri tai suurempi kuin uusilla renkailla silloin, kun ajorata ei ollut lämmennyt eikä kiillottunut. Kiillottuneella ajoradalla uudet renkaat mahdollistivat huomattavasti suuremmat ajonopeudet. Tässä tutkimuksessa yhdistelmien käyttäytymistä tarkasteltiin yleisesti käytettyjen menetelmien, kuten heilahtelun vahvistumista kuvaavien RA-arvojen avulla. Jarrutushidastuvuutta ja sivuttaisheilahtelua tutkittiin aikatason lisäksi myös taajuustasossa. Työssä pohdittiin myös testien ja mittausten kehittämistä parhaan mahdollisen hyödyn saamiseksi esimerkiksi renkaiden tuotekehitystyöhön. Asiasanat: ajoneuvoyhdistelmä, rengas, jarrutuskoe, kaksoiskaistanvaihtokoe
ABSTRACT Mauri Haataja, Matteus Jämsä, Janne Korhonen, Leo Pyhtinen The Effect of Tyres on the Behaviour of an Articulated Vehicle University of Oulu. Mechanical Engineering. Report No 1 University of Oulu, Mechanical Engineering, P.O. Box 4200, FI-90014 UNIVERSITY OF OULU Oulu 2014 The effect of tyres on the behaviour of an articulated vehicle was examined in the winter tyre tests executed in Ivalo airport during dates 13 th of March to 15 th of March 2012. The tests were organized by Nokian Tyres along with their partners. Test vehicles were two quite new, structure-wise similar 43 t full-trailer articulated vehicles. The other articulated vehicle was equipped with new tyres while the other with worn tyres. The tyre tests consisted of braking tests, double lane change tests in accordance with ISO 3888-1 standard as well as acceleration tests. The tests were executed in temperatures varying from -4,7 to + 1,6 C and mainly on hard and frozen ground. The articulated trucks were equipped with several acceleration and gyro sensors, steering angle sensors, GPS and a data collection system. During the tests the results were monitored. After the tests the measuring data was analysed more precisely. On the basis of the results a general view has formed with which we have been able to compare new and worn tyre effect on the behaviour of the articulated vehicles.
On average 29 % lower deceleration was achieved with worn tyres than with new tyres when the test was done on icy surface. According to the findings and observations biggest decelerations were achieved with new tyres in circumstances where new tyres with a rough tyre tread were able to bite into the track surface best. In the double lane change tests new and worn tyres were recorded to behave differently. The lateral grip of the steering axis was significantly better with new tyres than with worn tyres. The critical speed of the articulated vehicle equipped with new tyres was mainly determined on the basis of the lateral fluctuation of the dolly. This was the case also with worn tyres but occasionally the cause for lateral fluctuation was the understeering of the drawing vehicle. As for the critical speed the performance of the tyres compared to each other varied according to conditions. Critical speed was equally large or larger with worn tyres than with new tyres when the track surface had not yet gotten warm or polished. On polished track new tyres enabled significantly larger driving speeds. In this study the behaviour of articulated vehicles was examined through widely used methods such as RA values that depict e.g. lateral acceleration amplification. Braking deceleration and lateral behaviour were studied in time domain and frequency domain. Developing tests and measurements for acquiring best possible benefit for example for tyre R&D were also considered in this research. Keywords: combination vehicle, tyre, braking test, double lane change test
ALKUSANAT Tämän työn tavoitteena on kehittää Nokian Renkaiden ja Oulun yliopiston yhteistyötä raskaan kaluston renkaiden ja ajodynamiikan tutkimuksessa. Kiitos testien organisoimisesta kuuluu ennen kaikkea Nokian Renkaiden tuotekehityspäällikölle Teppo Siltaselle. Auto- ja työkonetekniikan professori, TkT Mauri Haataja on ohjannut testaustoimintaa tieteelliseen suuntaan, mikä mahdollistaa testien kehittymisen ja tulosten uskottavuuden. Huomattavana apuna testien järjestelyissä ovat olleet VR Transpoint, Liikenneturva, Oulun Vianor, Oulun seudun ammattiopisto sekä liikkuva poliisi. Käytännön mittausjärjestelyissä asiantuntijana ja apuna on toiminut laboratorioteknikko Kalle Vähätaini, jonka ammattitaito on perusedellytys tämänkaltaisten mittausten onnistumiselle opiskelijatyönä. Oulu, 26.03.2014 Matteus Jämsä Janne Korhonen Leo Pyhtinen
SISÄLLYSLUETTELO SISÄLLYSLUETTELO... 8 1 JOHDANTO... 10 2 TESTIOLOSUHTEET... 14 3 AJONEUVOT... 21 4 RENKAAT... 24 4.1 Renkaiden tekniset tiedot... 24 4.2 Renkaiden ominaisuudet... 25 5 MITTAUSLAITTEISTO... 31 5.1 Tiedonkeruujärjestelmä... 31 5.2 Mittaussuureet ja anturit... 34 5.2.1 Kiihtyvyydet... 36 5.2.2 Pystykiertymäkulmanopeudet... 38 5.2.3 Etupyörien kääntökulma... 39 6 JARRUTUSKOKEET... 44 6.1 Jarrutuskokeiden suoritus... 44 6.2 Kitkateoriaa... 46 6.2.1 ABS järjestelmä... 47 6.3 Ajoneuvoyhdistelmän jarrutusyhtälöt alamäessä... 49 6.3.1 Liikeyhtälöt vetoautolle... 50 6.3.2 Liikeyhtälöt dollylle... 53 6.3.3 Liikeyhtälöt puoliperävaunulle... 55 6.3.4 Liikeyhtälöiden yksinkertaistaminen... 57 6.3.5 Kitkakertoimen laskenta... 59 6.4 Jarrutuskokeiden tulokset... 60 6.4.1 Jarrutuksen vaiheet... 60 6.4.2 Hidastuvuus aikatasossa... 61
6.4.3 Hidastuvuus taajuustasossa... 63 6.4.4 Jarrutukset kokonaisuudessaan... 65 6.5 Johtopäätökset... 73 6.5.1 Syitä kuluneen renkaan ajoittaiseen hyvään pitoon... 74 7 KAKSOISKAISTANVAIHTOKOKEET... 75 7.1 Kaksoiskaistanvaihtokoe vaihe vaiheelta... 76 7.1.1 Suuntakulmien muutokset... 79 7.1.2 Pystykiertymäkulmanopeuden muutokset... 81 7.1.3 Sivuttaiskiihtyvyyden muutokset... 83 7.2 Kaksoiskaistanvaihtokokeiden tuloksia... 86 7.2.1 Sivuttaiskiihtyvyys... 87 7.2.2 Pystykiertymäkulmanopeus... 92 7.3 Rengastusten vertailu kaksoiskaistanvaihdon tulosten perusteella... 95 7.3.1 RA-arvot stabiiliuden arvioinnissa... 96 7.3.2 Taajuustason käyttö stabiiliuden arvioinnissa... 100 7.3.3 Turvallinen alkunopeus... 104 8 MITTAUSVIRHEET... 106 8.1 Signaalien häiriöt... 106 8.2 Jarrutusmatkan mittaaminen... 107 9 AJOKOKEIDEN KEHITTÄMINEN... 108 9.1 Sääolosuhteet... 108 9.2 Rengastukset... 109 9.3 Tulosten käsittelyn huomioiminen... 110 9.4 Mittauslaitteet... 110 10 YHTEENVETO... 112 11 LÄHDELUETTELO... 115 LIITTEET
1 JOHDANTO Maanteiden tavaraliikenne on merkittävä osa Suomen kansantaloutta. Kuljetusyritysten toimintaympäristö on kuitenkin haastava. Jo valmiiksi haastavissa pohjoisissa olosuhteissa toimivien yritysten kustannukset kasvavat nopeasti ja uusien eurooppalaisten määräysten sisäistäminenkin ottaa oman osansa. Esimerkiksi ajoaikalainsäädännön eräs tärkeä tavoite on kuitenkin liikenneturvallisuuden parantaminen. Turvallisuuteen vaikuttavat myös tieverkon ja ajoneuvojen kunto, tienhoidon laatu ja kuljettajien ammattitaito. Raskaan liikenteen onnettomuuksien vähentämiskeinoja pohdittaessa nousee esille myös talvirengaslainsäädännön kiristäminen. Suomessa kuorma- ja linjaautoja koskeva lainsäädäntö ei aseta suuria vaatimuksia talvikelissä käytettäville renkaille. Ainut vaatimus koskee urasyvyyttä, jonka on oltava vähintään 1,6 mm. Ennen lakimuutoksen tekoa on tutkittava muutoksen aiheuttamia kustannuksia. Myös liikenneturvallisuuden paraneminen on pystyttävä osoittamaan luotettavien tutkimustulosten avulla. Renkaiden vaikutusta raskaan ajoneuvoyhdistelmän käyttäytymiseen on tutkittu sekä ajokokein että simuloinneilla. Ennen tämän raportin käsittelemiä Ivalon kevättalven 2012 testejä ovat Nokian Renkaat ja Oulun yliopisto ajaneet testejä yhteistyökumppaneineen Pudasjärvellä kevättalvella 2011. Pudasjärvellä saatuja kokemuksia onnistuttiin hyödyntämään hyvin Ivalon testeissä. Ivalon kokemusten perusteella testejä ja niiden hyödyntämistä saadaan varmasti kehitettyä edelleen. Liikenneturvallisuuden parantaminen niin renkaiden kuin osaamisen ja asenteidenkin osalta on hyvä tavoite. 10
Tässä tutkimuksessa on tutkittu renkaiden vaikutusta ajoneuvoyhdistelmän ajokäyttäytymiseen ja jarrujärjestelmän suorituskykyyn kokeellisilla menetelmillä. Ajokokeissa mittaussuureina olivat: mittausjakson aika, ajoneuvon nopeus, poikittainen ja ajosuuntainen kiihtyvyys sekä pystyakselin kiertokulmanopeus sekä jarrutushidastuvuus- ja jarrutusmatkamittaukset mittausajan funktiona. Ajodynamiikan tutkimus perustuu teoreettisten mallien, ajokokeiden sekä mallinnusohjelmien ns. ADAMS-mallien sovelluksiin. Ajoneuvon ajostabiliteetin tutkimus ja teoreettinen mallinnus perustuu Newtonin II lain liikeyhtälöiden lineaariseen analyysiin, missä liikeyhtälöiden trigonometriset kulmat linearisoidaan, samoin renkaiden sivuttaisvoimakehitys ja ajoneuvoyhdistelmän ajonopeus tarkastelun aikana on vakio. Tällöin tarkastelussa voidaan keskittyä ajoneuvon poikittais- ja pystyakselin suunnissa tapahtuvien liikkeiden tarkasteluun. Tyypillisiä mittaussuureita ovat: ajoneuvon nopeus, kiihtyvyys, poikittaiskiihtyvyys ja pystyakselin ympäri tapahtuvan kiertoliikkeen kulmanopeus ja kiihtyvyys. Ajoneuvot otaksutaan jäykiksi kappaleiksi, ajoneuvojen massa on keskittynyt painopisteeseen, kytkettyjen ajoneuvojen keskinäinen vaikutus kuvataan kinemaattisten ja kineettisten ehtojen perusteella. Ajoneuvon poikittaisheräte tuotetaan ohjaavan akselin pyörien kääntökulman avulla, jolloin ajokäytöstä mittaavat suureet esitetään auton ohjausherätteen funktiona. Ohjauskulma toimii systeemin pakkoherättäjänä pakotettu liike. Ajoneuvon kallistelu ja massapisteiden tasapainoasemien muutokset sekä renkaiden ja akseleiden tuentaelinten vaimennus jätetään huomioon ottamatta. 11
Ajokokeissa ja simulaatioissa määritetään ajoneuvon korkein rajanopeus, missä ajostabiliteetti vielä täyttää liikenneturvallisuusvaatimukset. Ajokokeissa ja simulaatioissa sovelletaan tunnettuja ISO -normeja, joista mainittakoon ISO 3888-1, ns. kaksoiskaistan vaihtokoe, raskaille ajoneuvoyhdistelmille ja busseille tarkoitetut ajokokeet ISO 14791 14794 sekä testimenettelyihin ja määrityksiin liittyvät opastukset ISO 15037-2 ja ISO 8855:2011 sekä ajoneuvoyhdistelmien kytkentäsovellukset ISO 18868. Kokeellisten mittausten etuna on suhteellisen nopeasti saatava konkreettinen ja havainnollistava käsitys ajoneuvojen ja ajoneuvoyhdistelmien käyttäytymisestä ja mm. liikenneturvallisuuden toteutumisesta ja mahdollisista puutteista. Ajodynamiikkamallien luotettavuus todennetaan kokeellisilla menetelmillä lukuisissa ajokokeissa. Ajoneuvojen ja ajoneuvoyhdistelmien ajodynamiikkasimulaatioiden tuloksia voidaan käyttää vertailtaessa ajokäyttäytymistä kokeellisten mittausten perusteella, mikäli niiden akseli-, massa- ja kytkentämitoitus, rengasparametrit ja kuormaus ovat vastaavat. Ajoneuvojen käyttäytymistä voidaan arvioida RA-arvoilla. Ajoneuvoyhdistelmän eri ajoneuvoyksiköiden ajokäyttäytymistä, stabiliteettia arvioidaan RA-arvolla, joka kuvaa niiden poikittais- ja kiertoliikkeen vahvistumisen vetävän ajoneuvon nähden. Mittaussuureiden RA-arvo riippuu ohjausherätteen amplitudin suuruudesta ja sen muutosnopeudesta. Ajoneuvodynamiikkaa on tarkasteltu useissa kirjallisuuslähetissä, joista mainittakoon mm. seuraavat tekijät: Gillespie, T.D., Genta, G., Wong, J.Y. ja Pacejka, H.B. Todettakoon, että Pacejka tutkimuksissaan tarkastelee ajoneuvodynamiikkaa ilmatäytteisen kumirenkaan ominaisuuksien näkökulmasta. Kuorma-autojen ja perävaunuyhdistelmien tutkimuksessa nousevat esille tutkijat mm. Aurell, J., Edlund, S., Francer, P. S., Nordström, O., Kharrazi, S. ja Wadman, T.. 12
Kansallinen tutkimus on verraten niukkaa. Ajoneuvoyhdistelmien ajodynamiikkamallinnusta ja stabiliteettitutkimusta on toteutettu VTT:llä, Espoossa ja Aaltoyliopistossa (Diplomityö: Lehessaari 2007). Oulun yliopiston konetekniikan osastolla on auto- ja työkonetekniikan opintosuunnalla suoritettu vuodesta 2005 alkaen kokeellisia mittauksia ja mallinnuksia kuorma-auton ja täysperävaunun puutavarayhdistelmälle sekä kokeellisia mittauksia säiliöajoneuvoyhdistelmän ajokäyttäytymisen selvityksessä. (Diplomityöt: Pekka Rahkola 2006, Janne Märsylä 2006). 13
2 TESTIOLOSUHTEET Koeajot suoritettiin Ivalon lentokentän sivukiitoradalla tiistain 13.3.2012 ja torstain 15.3.2012 välisenä aikana (Kuva 1). Nokian Renkaiden henkilökunta oli ollut paikalla jo edellisellä viikolla valmistelemassa testialuetta ja tekemässä omia testejään. Koeajoneuvot ajettiin Oulusta Ivaloon sunnuntaina 11.3. ja viimeisteltiin mittauskuntoon maanantaina 12.3. Jarrutus- ja väistörata sijaitsivat sivukiitoradan itäpäässä (Kuva 2, Kuva 3 ja Kuva 4). Kokeet ajettiin radoilla itään päin. Jarrutusrata oli sivukiitoradan pohjoisreunassa ja kaistanvaihtorata kiitoradan keskellä. Kummankin radan lähtöporttien etäisyys kiitoradan itäpäästä oli noin 500 m. Testialue Kuva 1. Koeajoradan sijainti Ivalon lentokentällä. 14
Kuva 2. Jarrutus- ja väistökokeiden kiihdytysalue, länteen päin kuvattuna. 15
Kuva 3. Jarrutuskokeen ajorata, keilojen oikea puoli, itään päin kuvattuna. 16
Kuva 4. Väistökokeen ajorata puolivälistä itään päin kuvattuna. Säätiedoista ilman ja ajoradan lämpötilatiedot mitattiin koeajoradalle sijoitetulla Nokian Renkaiden dataloggerilla ja muut tiedot Ilmatieteen laitoksen Ivalon lentokentän säähavaintoasemalla. Testipäivien aikana ilman lämpötila laski öisin alimmillaan -3-13 C:een. Päivisin lämpötila nousi ylimmillään -1 +1,6 C:een (Kuva 5). Testiajojen aikana ilman lämpötila vaihteli välillä -4,7...+1,6 C ja ajoradan lämpötila vaihteli välillä -6,3...-0,9 C. 17
Kuva 5. Nokian Renkaiden dataloggerilla mitattu ilman ja ajoradan lämpötila testipäivinä. Testien aikana ilman suhteellinen kosteus vaihteli välillä 63 % - 99 % (Kuva 6). Suhteellinen kosteus oli suurimmillaan aamuisin ja pienimmillään iltapäivisin. Suhteellinen kosteus [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 13.3.2012 14.3.2012 15 3 2012 Kuva 6. Ilman suhteellinen kosteus testipäivinä Ivalon lentokentällä. (Hutila 2012) 18
Ilmanpaine vaihteli välillä 973 hpa 998 hpa (Kuva 7). Ilmanpaine oli alimmillaan ensimmäisen testipäivän aamuna ja nousi tasaisesti torstaiaamuun asti. Torstain aikana ilmanpaine laski noin 980 hpa:iin. 1000 Paine [hpa] 990 980 970 13.3.2012 14.3.2012 Kuva 7. Ilmanpaine testipäivinä Ivalon lentokentällä. (Hutila 2012) Pilvisyys on esitetty kahdeksanportaisella asteikolla Kuva 8. Tiistai oli kokonaan hyvin pilvinen päivä. Keskiviikko- ja torstaiaamuisin sää oli selkeä, mutta pilvisyys lisääntyi puoleen päivään mennessä. 19
Pilvisyys 8 7 6 5 4 3 2 1 0 13.3.2012 14.3.2012 Kuva 8. Pilvisyys testipäivinä Ivalon lentokentällä kahdeksanportaisella asteikolla. (Hutila 2012) 20
3 AJONEUVOT Koeajoneuvoina oli kaksi vetoautoista, apuvaunuista ja puoliperävaunuista koostuvaa täysimittaista täysperävaunuyhdistelmää, jotka toimitti VR Transpoint (Kuva 9). Ajoneuvot olivat rakenteeltaan täysin toisiaan vastaavia ja uutta vastaavassa kunnossa, kumpikin alle 100 000 km ajettuja. Yhdistelmissä oli ABS, ESP ja EBS. Suurimmassa osassa ajokokeista ajonvakautusjärjestelmä ei ollut käytössä. Kuva 9. Koeajoneuvoyhdistelmät Ivalon lentokentällä. Ajoneuvot kuormattiin pihakivikuormalla 43 t kokonaismassaan, joka on 70 % suurimmasta sallitusta kokonaismassasta (Kuva 10). Yhdistelmän mitat ja painot on esitetty liitteessä 1. Toinen testiyhdistelmistä punnittiin Oulussa kuormattuna. Punnitut massat on esitetty taulukossa 1. 21
Kuva 10. Perävaunun kuorma ja sidonta. Taulukko 1. Testiyhdistelmien massat. Auto Dolly Ppv Kokonaismassa testeissä 9 750 kg 26 000 kg 19 430 kg 2 200 kg 18 000 kg 9 340 kg 6 600 kg 24 000 kg 21 700 kg Yhdistelmä 60 000 kg 43 330 kg Yhdistelmien massat Suurin sallittu kokonaismassa Omamassa Akseli Massa 1 4 790 kg 2 7 540 kg 3 7 100 kg 1 4 750 kg 2 4 590 kg 1 4 830 kg 2 4 860 kg 3 4 870 kg 22
Koeajoneuvoyhdistelmien kuljettajina toimi kaksi ammattiopiston ajo-opettajaa. Heillä on kokemusta liukkaan kelin ajo-opetuksesta ja testeistä. Kuljettajien ajotyylit eivät olleet aivan samanlaisia. Suurimman osan testiajoista uusilla renkailla ajanut kuljettaja teki ohjausliikkeet terävästi. Ohjausherätteen vaihtelu oli paljon suurempaa kuin suurimman osan testeistä kuluneilla renkailla ajaneella kuljettajalla. Terävät liikkeet saattavat vaikuttaa huonoilta, mutta oikein ajoitettuna ne vähentävät yhdistelmän heilahtelua ja nopeuttavat kaistanvaihtoja. Toisaalta tällä kuljettajalla nopeus aleni kaistanvaihdon aikana huomattavasti enemmän kuin pääasiassa kuluneilla renkailla ajaneella kuljettajalla. Pienemmällä nopeudella omalle kaistalle palaaminen onnistuu paremmin. Pääasiassa kuluneilla renkailla ajaneen kuljettajan ajotyyli oli rauhallisempi, mikä saattoi korostua aliohjaavien kuluneiden renkaiden vaikutuksesta. Rauhalliset ohjausliikkeet saattavat olla tulosten käsittelyn kannalta parempia, koska silloin yhdistelmän käyttäytyminen on luotettavammin selitettävissä. 23
4 RENKAAT 4.1 Renkaiden tekniset tiedot Tässä luvussa käsitellään koeajojen aikana yhdistelmissä käytettyjä renkaita. Ajoneuvoyhdistelmä nro. 1 varustettiin uusilla Nokian valmistamilla talvikäyttöön soveltuvilla renkailla, joiden tiedot on esitetty taulukossa 2. Yhdistelmä nro. 2 varustettiin kuluneilla ympärivuotiseen käyttöön tarkoitetuilla renkailla. Niiden tiedot on esitetty taulukossa 3. Testien aikana mitatut rengaspaineet ja renkaiden kovuudet on esitetty liitteessä 2. Uusien renkaiden tarkempia teknisiä tietoja on esitetty liitteessä 3. Taulukko 2. Uudet renkaat. Yhdistelmä 1B, uudet renkaat Akseli Koko Merkki ja malli 1 315/70R 22,5 Nokian Hakkapeliitta Truck F 2 315/70R 22,5 Nokian Hakkapeliitta Truck E 3 385/55R 22,5 Nokian NTR 72S 1 385/55R 22,5 Nokian NTR 72S Auto Dolly Ppv 2 385/55R 22,5 Nokian NTR 72S 1 385/55R 22,5 Nokian NTR 72S 2 385/55R 22,5 Nokian NTR 72S 3 385/55R 22,5 Nokian NTR 72S 24
Taulukko 3. Kuluneet renkaat. Yhdistelmä 2A, kuluneet renkaat Auto Dolly Ppv Merkki ja malli Akseli Koko Vasen Oikea 1 315/70R 22,5 Michelin XZE 2+ 2 315/70R 22,5 Bridgestone M729 3 385/55R 22,5 Michelin XTA 2 energy 1 385/55R 22,5 Continental HSW2 M+S Michelin XTA 2 energy 2 385/55R 22,5 Michelin XTE 2 Michelin XTA 2 energy 1 385/55R 22,5 Michelin XTE 2 2 385/55R 22,5 Michelin XTE 2 Michelin XTA 2 energy 3 385/55R 22,5 Michelin XTE 2 4.2 Renkaiden ominaisuudet Yhdistelmän 1 ohjaavan akselin rengas oli Nokian Hakkapeliitta Truck F. Se on kulutuskestävä ja tarkoitettu pitkälle matkalle talviajoon. Renkaassa on viisi leveää, reunoiltaan porrastettua pitkittäisuraa. Urien väliset alueet ovat lamellipintaa, mutta renkaan reunat ovat yhtenäiset, mikä vähentää vierintävastusta ja parantaa kestävyyttä, ja vastaavasti vähentää pitoa liukkailla pinnoilla. (0) 25
Kuva 11. Nokian Hakkapeliitta Truck F Yhdistelmän 1 vetävän akselin rengas oli Nokian Hakkapeliitta Truck E. Se on voimakkaasti lamelloitu vetävän akselin rengas, jossa on kolme leveää ja kaksi kapeaa pitkittäistä pääuraa ja V-muotoiset poikittaisurat. (0) Kuva 12. Nokian Hakkapeliitta Truck E 26
Yhdistelmän 1 teliakselilla ja perävaunussa oli Nokian NTR 72S -renkaat. NTR 72S on perävaunuun ja telille tarkoitettu yleisrengas, jossa on viisi leveää, muotoiltua pääuraa ja ohut, lamellimainen, mutta harvempi poikittainen uritus. (Kuva 13) Kuva 13. Nokian NTR 72S Yhdistelmän 2 ohjaavan akselin rengas oli Michelin XZE2+. Se on tavanomainen ohjaavan akselin rengas, joissa on kaksi leveämpää, muotoiltua pitkittäistä uraa ja kaksi kapeampaa pitkittäistä uraa. (Kuva 14) 27
Kuva 14. Michelin XZE 2+ Yhdistelmän 2 vetävän akselin rengas oli Bridgestone M729. Se on isopalaisella kuviolla varustettu ympärivuotiseen käyttöön tarkoitettu vetorengas. (Kuva 15) Kuva 15. Bridgestone M729 28
Vetoauton telin sekä perävaunun Michelin -merkkiset renkaat olivat tyypilliset perävaunun kesärenkaat, neljällä pitkittäisellä, aaltoilevalla uralla. Renkaat olivat lämpimällä kesäkelillä karheaksi ajetut, mikä todennäköisesti lisäsi renkaiden kitkaa, mutta toisaalta pyöreäksi kuluneet urien reunat vähensivät renkaan purevuutta polanteella. Käsin tunnusteltuna kumiseos tuntui kitkaisemmalta kuin vertailun uusissa renkaissa. (Kuva 16, Kuva 17) Kuva 16. Michelin XTA 2 Energy 29
Kuva 17. Michelin XTE 2 Yksi perävaunun renkaista erosi hieman pintakuvioinniltaan muista. Pääuria oli neljän sijaan viisi ja renkaassa oli lisäksi lyhyitä, parin sentin pituisia poikittaisia uria neljässä rivissä. (Kuva 18) Kuva 18. Continental HSW 2 M+S 30
5 MITTAUSLAITTEISTO 5.1 Tiedonkeruujärjestelmä Tiedonkeruujärjestelmä perustui National Instrumentsin Compact RIO -tekniikkaan. Tiedonkeruuyksiköt sijoitettiin vetoautojen kuormatiloihin (Kuva 19). Niitä hallittiin kannettavalla tietokoneella auton ohjaamosta. Tiedonkeruuyksikön ja tietokoneen välinen tiedonsiirto tapahtui verkkokaapelin kautta. Mittalaitteen keräämiä anturisignaaleja pystyttiin tarkkailemaan kannettavalta tietokoneelta lähes reaaliajassa. Kuva 19. Oikealla on auton kuormatilaan sijoitettu tiedonkeruuyksikkö ja vasemmalla GPS-antenni, tiedonkeruulaitteen syöttöjännitekaapeli sekä anturien ulostulosignaalit 25-napaiseen sarjaliittimeen kokoava piirilevy. 31
Perävaunuissa sijaitseva mittauslaitteisto liitettiin autoon ISO 12098 -standardin mukaisella 15-napaisella pistokkeella, jotta perävaunu pystyttiin irrottamaan vetoautosta helposti (Kuva 20). Perävaunujen anturointien ollessa samanlaiset oli myös perävaunujen vaihto autojen kesken mahdollista. Puoliperävaunun antureiden syöttöjännite otettiin dollyn aisalle sijoitetusta kytkentärasiasta ja antureiden ulostulot tuotiin samaan kytkentärasiaan. Dollyn ja puoliperävaunun välillä käytettiin kierrekaapelia (Kuva 21). Kuva 20. Perävaunun anturointi kytkettiin vetoautoon 15-napaisella pistokkeella perävaunun omien pistokkeiden tavoin. 32
Kuva 21. Dollyn aisalle ja puoliperävaunun etuseinään sijoitetut kytkentärasiat ja niiden välinen harmaa kierrekaapeli. Dollyn aisalla olevan kytkentärasian sisälle asennettiin dollyn kulmanopeusanturi ja pitkittäiskiihtyvyysanturi. 33
5.2 Mittaussuureet ja anturit Tulosten tulkinnan ja niiden käsittelymahdollisuuksien kannalta oleellista on se, mitä suuretta anturit mittaavat. Tässä tapauksessa yliopiston mittaustekniikan laboratoriossa oli kokemusta samankaltaisista mittauksista, mikä helpotti antureiden valintaa. Yhdistelmät anturoitiin siten, että niiden liiketila vaakatasossa pystyttäisiin esittämään mittaustulosten perusteella. Vaakatason liiketila sisältää ajoneuvojen paikka-, nopeus- ja kiihtyvyystiedon ajoradan suuntaisessa tasossa sekä asento-, kulmanopeus ja kulmakiihtyvyystiedon pystyakselin ympäri. Ajoneuvojen paikkatiedon mittaaminen ei ole välttämätöntä ajotilan määrittämiseksi, koska paikka voidaan laskea nopeustiedon perusteella. Nopeuskin voidaan arvioida testin alkunopeuden ja mitatun kiihtyvyyden avulla. Paikkatieto mitattiin osittain kokemuksen kartuttamiseksi, mutta sitä ei ole käytetty tulosten käsittelyssä. Testien alkunopeus mitattiin tutkalla. Tutkan nopeustieto ei tallentunut tiedonkeruujärjestelmään, vaan se kirjattiin muistiin käsin. Lisäksi mitattiin vetoauton etupyörien kääntökulmaa, jolla kuljettaja pyrkii ajoneuvojen liiketiloihin vaikuttamaan. Kiihtyvyyden mittaaminen on hyödyllistä, koska voimat ovat Newtonin II lain mukaan suoraan verrannollisia massan ja kiihtyvyyden tuloon. Toisaalta Coulombin kitkalain perusteella kitkavoima on kitkakertoimen ja normaalivoiman tulo, joten mitatut kiihtyvyyden g-arvot vastaavat renkaan ja tien pinnan välistä kitkakerrointa. Kiihtyvyysarvot ovat ajoneuvojen x- ja y-akseleiden suuntaisia, joten niiden suunnat kääntyvät rataan nähden ajoneuvojen mukana (Kuva 22). 34
Kuva 22. Testiradan koordinaatisto sekä ajoneuvokohtaiset koordinaatistot. Ajoneuvoyksikön pystykiertymäkulmanopeuden mittaaminen on vakiinnuttanut asemansa ajodynamiikkakokeissa. Se voidaan mitata kulmanopeusantureilla ja kulmanopeusarvosta saadaan tarvittaessa yhden kerran derivoimalla tai integroimalla kulmakiihtyvyys- tai asentotieto. Kulmanopeusanturit mittaavat ajoneuvon kulmanopeutta ilman mitään vertailukohtaa. Siksi esimerkiksi pystykiertymäkulmanopeusarvoista integroidut asentoarvot kertovat ajoneuvon asennon laskennan aloitusasentoon nähden (Kuva 22). Anturien sijoitus ajoneuvoissa on esitetty kuvassa 23 ja taulukossa 4. Kuva 23. Anturien sijoitus ja mittaussuunnat. 35
Taulukko 4. Antureilla mitatut suureet. Mer- ay1 ay2 ay3 ay4 ax1 ax2 ax3 δ ωz1 ωz2 ωz3 Mitattava suure Auton etuakselin sivuttaiskiihtyvyys Auton telin sivuttaiskiihtyvyys Dollyn telin sivuttaiskiihtyvyys Puoliperävaunun telin sivuttaiskiihtyvyys Auton pitkittäiskiihtyvyys Dollyn pitkittäiskiihtyvyys Puoliperävaunun pitkittäiskiihtyvyys Etupyörän kääntökulma Auton pystykiertymäkulmanopeus Dollyn pystykiertymäkulmanopeus Puoliperävaunun pystykiertymäkulmanopeus 5.2.1 Kiihtyvyydet Sivuttaiskiihtyvyyksiä mitattiin ajoneuvojen runko- ja korirakenteisiin kiinnitetyillä kiihtyvyysantureilla. Mittauksiin käytettiin 1-akselisia Measurement Specialities 4000A -kiihtyvyysantureita (Kuva 24) sekä 2-akselisia Oulun yliopistolla valmistettuja kiihtyvyysantureita (Kuva 25). Vetoauton etuakselin sivuttaiskiihtyvyysanturi sijoitettiin runkopalkin kylkeen etuakselin kohdalle. Telin sivuttaiskiihtyvyys mitattiin vetävän akselin ja teliakselin puolesta välistä kuormatilan lattian vasemmasta reunasta. Dollyn sivuttaiskiihtyvyys mitattiin dollyn vasemmasta runkopalkista akselien puolesta välistä. Puoliperävaunun sivuttaiskiihtyvyys mitattiin kuormatilan lattian vasemmasta reunasta keskimmäisen akselin kohdalta. Pituussuuntainen kiihtyvyys mitattiin autosta kuormatilan lattiasta, dollysta aisalle sijoitetusta kytkentärasiasta ja puoliperävaunusta kuormatilan lattiasta. 36
Sivuttaiskiihtyvyysanturit tulisi sijoittaa sivuttaissuunnassa ajoneuvon keskilinjalle, jotta anturin kehänopeus ja kaartosäde olisivat kaarreajossa samat kuin esimerkiksi mitattavan akselin keskimääräiset kehänopeus ja kaartosäde. Anturointia rakennettaessa asiaa ei osattu ottaa huomioon, mutta virhe on kaksoiskaistanvaihdon kaltaisissa loivissa kaarteissa suhteellisen pieni. Kuva 24. MEAS 4000 -kiihtyvyysanturi. Kuva 25. Oulun yliopistolla valmistettu 2-akselinen kiihtyvyysanturi. 37
5.2.2 Pystykiertymäkulmanopeudet Pystykiertymäkulmanopeudet mitattiin ajoneuvojen runko- ja korirakenteisiin kiinnitetyillä Silicon Sensingin CRS03 -kulmanopeusantureilla (Kuva 26). Vetoauton kulmanopeus anturi sijoitettiin kuormatilan lattian vasempaan reunaan hieman telin etupuolelle. Dollyn kulmanopeusanturi sijoitettiin dollyn aisalle kiinnitettyyn kytkentärasiaan. Puoliperävaunun kulmanopeusanturi sijoitettiin kuormatilan lattian vasempaan reunaan perävaunun etuosaan. Yksi antureista jouduttiin korvaamaan testien alussa Chinastar CS-ARAS -kulmanopeusanturilla. Kulmanopeusanturien asennuksessa oleellisinta on se, että anturi pysyy mittausten aikana siinä asennossa, jossa tulokset halutaan. Tässä tapauksessa kiertymiskulmanopeustieto halutaan ajoradan pintaa vastaan kohtisuoran akselin ympäri, joten myös kulmanopeusanturin mittausakselin tulisi pysyä mahdollisimman kohtisuorassa ajoradan pintaan nähden. Kulmanopeusanturin sijainnilla vaakatasossa ei ole merkitystä, koska ajoneuvon pystykiertymäkulmanopeus on sama sen jokaisessa kohdassa (Watson 2012). Kuva 26. Silicon Sensing CRS03 -kulmanopeusanturi. Vetoauton kulmanopeusanturi sijoitettiin kuormatilan lattialle, jossa sen pystyakseli asettui mahdollisimman kohtisuoraan ajoradan pintaan nähden. Dollyn 38
kulmanopeusanturi sijoitettiin aisan sisällä olevaan ritilään kiinnitetyn kytkentärasian pohjaan. Kiinnityskohta on tasaisella ajoradalla vaakatasossa, joten paikka oli asennoltaan paras mahdollinen kulmanopeusanturille. Puoliperävaunun kulmanopeusanturi sijoitettiin kuormatilan lattialle perävaunun etuosaan. 5.2.3 Etupyörien kääntökulma Auton etupyörien kääntökulmaa mitattiin ohjauspyörän akselilta vaijerivetoanturilla. Vaijerivetoanturin vaijeri kierrettiin ohjauspyörän akselin ympärille, jolloin vaijerin siirtymä vastaa lineaarisesti ohjauspyörän kääntökulmaa. Vaijeri kiinnitettiin ohjauspyörän akselille letkunkiristimellä ja anturi kiinnitettiin kojelaudan rakenteisiin kiinnityslevyn avulla. Vaijerivetoanturit olivat UniMeasure merkkisiä ja tyypiltään JX-PA-40. 39
Kuva 27. Ohjauspyörän kääntökulmaa mitattiin ohjauspyörän akselin ympärille kierretyn vaijerin siirtymän avulla. Kuvassa anturi ei ole vielä mittauskunnossa. Etupyörän kääntökulmamittauksen kalibrointi tehtiin Ivalon lentokentällä maanantaina 12.3.2012. Kalibrointi aloitettiin selvittämällä ohjauspyörän kääntökulman ja etupyörän kääntökulman välinen riippuvuus. Etupyörän kääntökulma mitattiin kulmaviivaimella renkaan kylkeä vasten asetetun lankun ja etuakselin suuntaisesti asetetun kuormalavan välistä kulmaa mittaamalla (Kuva 28). Etupyörän kääntökulmaa mitattiin useilla ohjauspyörän kääntökulman arvoilla. Etupyörän kääntökulman havaittiin käyttäytyvän lähes lineaarisesti ohjauspyörän kääntökulmaan nähden (Kuva 29). 40
Kuva 28. Etupyörän kääntökulman mittaus Lapin mäntyä apuna käyttäen. 41
β v β v Etupyörän kääntökulma [ ] 35 30 25 20 15 10 5 0 0 90 180 270 360 540 Ohjauspyörän kääntökulma [ ] Kuva 29. Vasemman etupyörän kääntökulma vasemmalle ja oikealle ohjauspyörän kääntökulman funktiona. Ohjauspyörän kääntökulman mittaamisen todettiin kuitenkin olevan tarpeetonta, koska tavoitteena on mitata etupyörien kääntökulmaa. Mittalaite voitaisiin kyllä kalibroida myös siten, että etupyörän ja ohjauspyörän kääntökulmien välinen riippuvuus määritettäisiin ja mittalaite kalibroitaisiin vertaamalla ohjauspyörän kääntökulmaa ja anturin ulostulojännitettä. Tarkempaan tulokseen todettiin kuitenkin päästävän, kun anturin ulostulojännitettä verrataan ilman välivaiheita etupyörän kääntökulmaan. Etupyörän kääntökulmat ja niitä vastaavat anturin ulostulojännitteet piirrettiin koordinaatistoon ja tuloksiin sovitettiin suora (Kuva 30). Suoran yhtälön avulla anturin ulostulojännitteet voidaan myöhemmin muuntaa etupyörän kääntökulma-arvoiksi. 42
Etupyörän kääntökulma Linear (Etupyörän kääntökulma) Vasen Etupyörien kääntökulma [ ] Oikea 40 30 20 10 0-10 -20-30 -40 y = -50,1099x + 71,6571 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 Ulostulojännite [V] Kuva 30. Kuluneilla renkailla varustetun testiauton etupyörien kääntökulma potentiometrin ulostulojännitteen funktiona. 43
6 JARRUTUSKOKEET Jarrutuksessa ajoneuvoyhdistelmän nopeutta pienennetään renkaan ja tien pinnan välisen kitkavoiman avulla. Ajoneuvoyhdistelmään vaikuttaa myös ajovastusvoimia, jotka pienentävät nopeutta omalta osaltaan. Ajovastuksien suuruus voitaisiin todeta mittaamalla ajoneuvoyhdistelmän hidastuvuutta silloin, kun jarruja ei käytetä ns. vapaassa rullauksessa. Niiden suuruus voidaan arvioida myös laskemalla tai ne voidaan jättää laskelmien yksinkertaistamiseksi kokonaan huomioimatta. Ajovastuksien huomioimatta jättämisen aiheuttama virhe on pääsääntöisesti sitä pienempi, mitä suurempia ovat jarrutushidastuvuudet. 6.1 Jarrutuskokeiden suoritus Jarrutustesteissä jarrutus aloitettiin keiloilla merkityltä portilta (Kuva 31). Kuljettajat pyrkivät aloittamaan jarrupolkimen painamisen hetkellä, jolloin vetoauton keula ohittaa portin. Jarrutusmatkaksi merkittiin etäisyys portilta siihen kohtaan, johon auton keula pysähtyi. 44
Kuva 31. Jarrutusrata ja portti, josta jarrutus aloitettiin. Jarrutuskokeita oli tarkoitus ajaa 65 km/h ja 85 km/h välillä olevilla alkunopeuksilla. Yhdistelmät ajoivat testejä peräkkäin siten, että toinen yhdistelmä ajoi samalla nopeudella kuin ensimmäinen. Näin saatiin hyvin vertailukelpoisia tuloksia, koska radan pinta ei ehtinyt muuttua merkittävästi mittausten välissä. Jarrutuskokeiden vertailtavuus on erityisen hyvä silloin, kun peräkkäisten kokeiden suoritus toteutetaan samassa ajourassa. 45
6.2 Kitkateoriaa Rengasdynamiikan tekee haasteelliseksi mallintaa se, että pyörivän renkaan kitka poikkeaa merkittävästi perinteisestä Coulombin kitkateoriasta. Renkaan ja tien välillä vaikuttava kitka koostuu pääasiassa adheesiosta ja hystereesistä. Tämän lisäksi on joukko muita kitkamekanismeja, joiden osuus kokonaiskitkaan on merkittävä vain joissain erikoistapauksissa. Esimerkkinä mainittakoon hydrodynaaminen kitka hyvin liukkaalla ja lämpimällä jäällä. (Tuononen 2010) Jään ja kumin välinen kitka riippuu voimakkaasti siitä, kuinka paksu vesikerros jään päälle on muodostunut. Vesikerros syntyy, kun jään sulamispiste laskee paineen johdosta. Todellisuudessa kuitenkaan painetasolla ei ole niin suurta merkitystä. Jään matala kitka johtuu enemmän kitkasulamisesta, sillä jään pinnankarheuksiin vaikuttava kitkavoima pystyy riittävän lämpimissä olosuhteissa sulattamaan jäätä. Jääpitoa parantaa erityisesti kumin pehmeys. Kumin pehmeyden ansiosta todellinen kontaktiala maksimoituu, jolloin pidon adheesio- ja hystereesikomponentit paranevat. Kumin hystereesin seurauksena epätasaisella pinnalla luistavan renkaan puristuvaan pintaan kohdistuu suurempi paine kuin vapautuvaan pintaan (Kuva 32). Paineiden resultanttivoima vaikuttaa tällöin luiston suuntaa vastaan. Kumin ominaisuudet pyritään järjestämään siten, että kumi on pehmeytensä puolesta tasapainossa kulutuskestävyyden kanssa ja hystereesiominaisuudet sovitetaan haluttuun toimintalämpöön. (Tuononen 2010) 46
Kuva 32. Hystereesin aiheuttama pitkittäisvoima karhealla pinnalla. (Tuononen 2010) Pakkautuneen lumen kovettuessa sen ominaisuudet lähestyvät jään ominaisuuksia. Lumeen rengas pureutuu aivan eri mittakaavassa kuin esimerkiksi asfalttiin johtuen lumen puristuvuudesta. Jos rengas pääsee pureutumaan koko kulutuspinnan syvyydeltään lumeen, syntyy jopa hammaskosketuksen kaltainen muotolukitus. Lumi kuitenkin materiaalina on melko heikkoa joten lumen leikkauslujuus vaikuttaa maksimikitkavoimaan, joka voi jäädä vaatimattomaksi. Lumella tarvitaan suurempi pitkittäisluisto, koska tietynlaisissa olosuhteissa kovan lumipolanteen päällä oleva irtolumi estää renkaan pureutumisen kunnolla alustaan. 6.2.1 ABS -järjestelmä Lukkiutumattoman jarrujärjestelmän tehtävänä on estää pyörien lukkiutuminen vähentämällä jarrupainetta silloin, kun pyörät alkavat lukkiutua tai ovat jo hetkellisesti lukkiutuneena (Kuva 33). Kun pyörien lukkiutuminen estetään, ajoneuvon suuntavakavuus ja ohjattavuus säilyvät myös täysjarrutuksessa liukkaalla ajoradalla. Erityisesti ajoneuvoyhdistelmissä lukkiutumaton jarrujärjestelmä estää perävaunun linkkuun menon. 47
Kuva 33. ABS-järjestelmän toiminta-alue. (Rahkola, Leppälä 2005) Suomessa lainsäädäntö on määrännyt, että 1.10.1991 alkaen on linja-autoissa ja säiliöajoneuvoissa oltava pakollisena varusteena lukkiutumaton jarrujärjestelmä. Raskaan kaluston ABS-järjestelmään kuuluvat pyörimisnopeusanturit pyörissä, sähköinen ohjainlaite ja jarrupaineen ohjausventtiilit. Järjestelmä ohjaa jokaisen jarrusylinterin painetta tarpeen vaatien joko lisäten, pitäen vakiona tai vähentäen. Järjestelmässä täytyy löytyä vetoautolle ja perävaunulle varoitusvalo, joka ilmaisee kuljettajalle järjestelmien kunnon. Järjestelmän vioittuessa jarrut toimivat normaalisti, mutta ilman ABS-toimintoa. ABS-järjestelmän tehtävänä on säätää jarrupaineet siten, että pyörien luisto on kitkakertoimen kannalta optimialueella noin 20 %:ssa. 48
6.3 Ajoneuvoyhdistelmän jarrutusyhtälöt alamäessä Tässä kappaleessa esitetään ajoneuvoyksiköiden liikeyhtälöt alamäkijarrutustilanteessa. Ajoneuvoyksikkökohtaisia liikeyhtälöitä ei ole käytetty tulosten käsittelyssä, mutta liikeyhtälöiden avulla voitaisiin määrittää esimerkiksi jarrutuksen aikana vaikuttavia voimia. Liikeyhtälöissä ajoneuvoyhdistelmän osia on merkitty seuraavasti: Vetoautoa alaindeksillä va, dollya alaindeksillä do ja puoliperävaunua alaindeksillä pv. Akselien järjestysnumerot 1-8 kuvaavat akselien sijaintia koko yhdistelmässä. Ajoneuvoyhdistelmän jokaisen ajoneuvoyksikön kiihtyvyys on ajosuunnassa yhtä suuri. Jarrutuksessa yhdistelmän nopeus pienenee, joten kiihtyvyyden arvot ovat negatiivisia. Ajoneuvoyksiköiden kiihtyvyys voidaan esittää muodossa (1), missä ava on vetoauton kiihtyvyys [m/s²], ado on dollyn kiihtyvyys [m/s²] ja apv on puoliperävaunun kiihtyvyys [m/s²]. Jokaiselle ajoneuvolle kirjoitetaan liikeyhtälöt radan pinnan suunnassa ja radan pintaa vastaan kohtisuorassa suunnassa sekä momenttiyhtälöt jonkin pisteen suhteen. Ajoradan pinnan suuntaisissa liikeyhtälöissä ajoneuvoon vaikuttavat voimat merkitään Newtonin toisen lain perusteella yhtä suuriksi kuin ajoneuvon massan ja kiihtyvyyden tulo: 49
(2) missä ΣF on ajoneuvoon vaikuttavien voimien summa [N], mi on ajoneuvon kokonaismassa [N] ja a on ajoneuvoyhdistelmän kiihtyvyys [m/s²]. Ajorataa vastaan kohtisuorat liikeyhtälöt merkitään nolliksi, koska ajoneuvoilla ei ole kiihtyvyyttä pystysuunnassa. 6.3.1 Liikeyhtälöt vetoautolle Vetoautoon alamäkijarrutuksessa vaikuttavat voimat on esitetty kuvassa 34. Kuva 34. Vetoautoon vaikuttavat voimat jarrutuksessa. Vetoautolle ajoradan x-akselin suuntainen liikeyhtälö on 50
(3) missä Fa1 on vetoauton ilmanvastusvoima [N], Fbi on akselikohtainen jarruvoima [N], Ri on akselikohtainen vierintävastusvoima [N], mva on vetoauton kokonaismassa [kg], g on putoamiskiihtyvyys [m/s²], α on alamäen kaltevuus [ ] ja Fbx on vetokytkimen radan pinnan suuntainen kuormitus [N]. Ajoradan pinnan suuntaisesta liikeyhtälöstä voidaan ratkaista autoa jarruttavien voimien summa seuraavasti: (4) Vetoautolle ajoradan pintaa vastaan kohtisuora liikeyhtälö on cos 0 (5) missä N 1 on dynaaminen etuakselikuormitus [N], N 2 on dynaaminen vetävän akselin kuormitus [N], N 3 on dynaaminen teliakselin kuormitus [N] ja F bz on vetokytkimen radan pintaan nähden kohtisuora kuormitus [N]. 51
Vetoauton momenttiyhtälö etupyörän ja ajoradan pinnan välisen kosketuspisteen A suhteen on (6) cos sin missä hava on auton ilmanvastusvoiman vaikutuskorkeus [m], Lgva on auton painopisteen etäisyys etuakselista [m], Lxva on auton redusoitu akseliväli [m], Tva on takaylitys telin painopisteestä vetokytkimeen [m], hgva on auton painopisteen korkeus [m] ja hvk on vetokytkimen korkeus ajoradan pinnasta [m]. Auton telikuormitus N23 on vetoakselikuormituksen N2 ja teliakselikuormituksen N3 summa. Se vaikuttaa telin painopisteessä, jonka sijainti voidaan määrittää akselien välisen kuorman jaon perusteella. Painopisteen etäisyyttä etuakselista kutsutaan redusoiduksi akseliväliksi, joka TrailerWIN-ohjelman tietojen mukaan on testiautoissa 5341 mm. Kaarteessa autojen oletetaan käyttäytyvän redusoidun akselivälin suuruisen akselivälin omaavan 2-akselisen auton tavoin. Vetoauton momenttiyhtälön avulla voidaan ratkaista esimerkiksi dynaaminen telikuormitus N23 seuraavasti: (7) cos sin 52
6.3.2 Liikeyhtälöt dollylle Dollyyn alamäkijarrutuksessa vaikuttavat voimat on esitetty kuvassa 35. Kuva 35. Dollyyn vaikuttavat voimat jarrutuksessa. Dollylle ajoradan x-akselin suuntainen liikeyhtälö on (8) missä mdo on dollyn kokonaismassa [kg], Fvpx on vetopöydän ajoradan suuntainen kuormitus [N] ja α on alamäen kaltevuus [ ]. 53
Ajoradan x-akselin suuntaisesta yhtälöstä voidaan ratkaista esimerkiksi vetopöydän vaakakuormitus seuraavasti: (9) Dollylle ajoradan pintaa vastaan kohtisuora liikeyhtälö on cos 0 (10) missä N4 on dynaaminen dollyn ensimmäisen akselin kuormitus [N], N5 on dynaaminen dollyn toisen akselin kuormitus [N], Fbz on vetokytkimen pystykuormitus [N] ja Fvpz on vetopöydän pystykuormitus [N]. Dollyn momenttiyhtälö kuvataan pisteen B suhteen, joka on ajoradan pinnassa akselien puolivälissä oleva piste. Piste on sijoitettu akselien puoliväliin, koska akselikuormitusten oletetaan olevan yhtä suuret ja vetopöydän nyökkäyksen sallivan nivelen oletetaan sijaitsevan akselien puolessa välissä. Nämä oletukset eivät todellisuudessa pidä tarkasti paikkaansa, mutta niiden vaikutus tuloksiin on hyvin pieni. Dollyn momenttiyhtälö pisteen B suhteen on (11) sin cos missä hgdo on dollyn painopisteen korkeus [m], Lgdo on dollyn painopisteen etäisyys pisteestä B [m], 54
hvp on vetopöydän nyökkäysnivelen korkeus [m] ja Lxdo on pisteen B etäisyys vetosilmukasta [m]. Dollyn momenttiyhtälön avulla voidaan ratkaista esimerkiksi vetokytkimen pystykuormitus seuraavasti: (12) sin cos 6.3.3 Liikeyhtälöt puoliperävaunulle Puoliperävaunuun vaikuttavat voimat on esitetty kuvassa 36. Kuva 36. Puoliperävaunuun vaikuttavat voimat jarrutuksessa. Puoliperävaunulle ajoradan x-akselin suuntainen liikeyhtälö on (13) 55
missä F a2 on puoliperävaunun ilmanvastusvoima [N] ja m pv on puoliperävaunun kokonaismassa [kg]. Puoliperävaunulle ajoradan pintaa vastaan kohtisuora liikeyhtälö on cos 0 (14) missä N6 on dynaaminen puoliperävaunun ensimmäisen akselin kuormitus [N], N7 on dynaaminen puoliperävaunun toisen akselin kuormitus [N] ja N8 on dynaaminen puoliperävaunun kolmannen akselin kuormitus [N]. Puoliperävaunun momenttiyhtälö kuvataan vetopöydän nyökkäysnivelen alapuolella ajoradan pinnassa sijaitsevan pisteen C suhteen. Tällöin ajoradan pinnan ja renkaiden väliset voimat sekä vetopöydän pystykuormitus jäävät momenttiyhtälöstä pois, koska niiden vaikutussuora kulkee pisteen C kautta. Telin kolmen akselin akselimassojen oletetaan olevan yhtä suuria, joten telimassan kokonaisuudessaan voidaan ajatella kohdistuvan momenttiyhtälössä keskimmäisen akselin kohdalle. Momenttiyhtälö on (15) sin cos missä hgpv on puoliperävaunun painopisteen korkeus [m], Lgpv on puoliperävaunun painopisteen etäisyys pisteestä C [m], Lxpv on puoliperävaunun telin painopisteen etäisyys pisteestä C 56
[m] ja ha2 on puoliperävaunun ilmanvastusvoiman vaikutuskorkeus [m]. Puoliperävaunun momenttiyhtälön avulla voidaan ratkaista esimerkiksi puoliperävaunun telikuormitus seuraavasti: cos sin (16) 6.3.4 Liikeyhtälöiden yksinkertaistaminen Jarrutuskoetulosten vertailun yksinkertaistamiseksi yhdistelmä oletetaan yhdeksi kappaleeksi. Tällöin ajoneuvokohtaisia liikeyhtälöitä ei tarvita. Myös ajovastukset voidaan jättää huomioimatta, koska niiden suuruutta ei ole mitattu ja niiden huomioimatta jättäminen ei vaikeuta renkaiden vertailua. Jarrutusradassa oli laskua noin 1 metri 1100 metrin matkalla, joten kaltevuus on noin 0,1 %. Koko ajoneuvoyhdistelmään vaikuttavan mäkivoiman suuruus saadaan kaavalla sin, (17) missä Fm on mäkivoima [N] ja mkok on yhdistelmän kokonaismassa [kg]. Mäkivoiman suuruus kokonaismassaltaan 43330 kg yhdistelmälle on 425 N. Se on yhdistelmää kuljettava voima ja siten lisää jarrutusmatkaa. Voima on kuitenkin verraten pieni ja se voidaan jättää ottamatta huomioon kokonaisjarruvoimaan nähden. 57
Kun oletetaan, että yhdistelmä on yksi kappale, jonka nopeutta hidastetaan kosketuspintojen väliseen normaalivoimaan verrannollisella kitkavoimalla, voidaan ajoradan suunnassa muodostaa seuraava liikeyhtälö: (18), missä a on jarrutushidastuvuus [m/s²] ja μ on kitkakerroin [ ]. Edellä mainitulla tavalla saadaan koko ajoneuvolle yksi kitkakertoimen arvo, joka kuvaa renkaiden keskimääräistä kitkakerrointa ABS-jarrutuksessa, jossa luiston suuruus vaihtelee jatkuvasti pyöräkohtaisesti. Kitkakertoimet eivät ole kaikilla akseleilla samat. Kuluneilla renkailla varustetussa yhdistelmässä kitkakertoimen vaihtelu akselien välillä oli luultavasti huomattavasti vähäisempää kuin uusilla renkailla varustetussa yhdistelmässä, koska kuluneiden renkaiden pintakuvioissa ei ollut suuria eroja ja urasyvyydet olivat kaikissa renkaissa melko pieniä. Sen sijaan uudet vetävän akselin renkaat olivat voimakkaasti lamelloidut, joten niiden keskimääräinen kitkakerroin oli luultavasti hieman yhdistelmän keskimääräistä kitkakerrointa korkeampi. Vastaavasti muiden uusien renkaiden kitkakertoimet olivat hieman yhdistelmän keskimääräistä kitkakerrointa pienempiä. 58
6.3.5 Kitkakertoimen laskenta Kun liikeyhtälö jaetaan puolittain kokonaismassalla ja hidastuvuus suhteutetaan putoamiskiihtyvyyteen, saadaan kitkakertoimelle yhtälö (19). Tuloksissa ja kuvaajissa hidastuvuudet on esitetty putoamiskiihtyvyyteen suhteutettuna, joten ne kuvaavat myös Coulombin kitkateorian mukaista kitkakerrointa. Coulombin kitkalaki ei kuitenkaan sovellu parhaalla mahdollisella tavalla renkaissa ja kumissa tapahtuviin kitkatarkasteluihin, koska sen mukaan kitkakerroin ei riipu pystyvoimasta, liukunopeudesta, kontaktin alasta tai pinnan karheudesta. Todenmukaisempi kaava saadaan Tuonosen (2010) mukaan yhtälöllä µ=, (20) missä μ on kitkakerroin [ ], τ on kosketuksen leikkausmyötölujuus [MPa] ja σk on aineen myötölujuus [MPa]. Tämän perusteella kitkakerroin on leikkausmyötölujuuden ja aineen kovuuden suhde. 59
6.4 Jarrutuskokeiden tulokset Jarrutuksessa yhdistelmän hidastuvuuden on oletettu olevan yhtä suuri kuin vetoauton hidastuvuus. Vetoauton hidastuvuustiedon on oletettu olevan lähimpänä todellista hidastuvuutta, koska vetoauton suuntakulmamuutokset jarrutuksen aikana olivat pienimmät. Varsinkin jarrutuksen alussa ilmenneen perävaunun sivuttaisen heilahtelun takia puoliperävaunun ja etenkin dollyn pitkittäishidastuvuusarvoissa esiintyy luultavasti sivuttaisheilahtelun ja suuntakulmamuutosten aiheuttamaa virhettä. 6.4.1 Jarrutuksen vaiheet Jarrutukset aloitettiin ensin yhdistelmän kiihdytyksellä haluttuun tasaiseen alkunopeuteen, jonka jälkeen yhdistelmän keulan saapuessa jarrutuksen alkamista merkkaaville porteille aloitettiin jarruttaminen välittömästi. Yhdistelmän lopulta ollessa kokonaan pysähtyneenä mitattiin jarrutusmatka ja mittaus pysäytettiin. Jarrutuksen vaiheet on esitetty kuvassa 37. 60
0.1 Truck and trailer deceleration with worn tyres 13.3.2012 16:05 Initial speed 70 km/h Average deceleration 0,084 g Max.deceleration 0,146 g Braking time 25,4 s Braking distance 208 m 0 Deceleration [g] -0.1 Alkunopeus Nopeus pienenee käyrän mukaisella hidastuvuudella Yhdistelmä pysähtynyt -0.2 0 5 10 15 20 25 30 Time [s] Kuva 37. Jarrutuskokeen vaiheet. 6.4.2 Hidastuvuus aikatasossa Aikatason hidastuvuudet saatiin pitkittäissuuntaisten kiihtyvyysantureiden avulla. Aikatason kuvaajien avulla saadaan selkeä kuva uusien ja kuluneiden renkaiden kitkasta ja kitkan vaihtelusta jarrutuksen aikana. Hidastuvuus- ja aika-akselilla on käytetty kummassakin kuvaajassa samaa asteikkoa (Kuva 38 ja Kuva 39). Esimerkkikuvaajien hidastuvuudet on mitattu peräkkäisistä jarrutuksista tiistaina 13.3.2012. Jarrutusten välinen aika on noin 2 minuuttia. 61
Kuva 38. Jarrutushidastuvuus aikatasossa uusilla renkailla. 62
Kuva 39. Jarrutushidastuvuus aikatasossa kuluneilla renkailla. 6.4.3 Hidastuvuus taajuustasossa Jarrutussignaali muunnettiin taajuustasoon Matlab ohjelmalla. Laskelmassa käytetty yhtälö on muotoa (21) X(k) = (1/N) x(j) = missä /. 63
Tuloksia tarkasteltaessa taajuustasossa on hyvin vaikea varmuudella erottaa mitään yksittäistä ilmiötä (Kuva 40 ja Kuva 41). Kuluneilla renkailla voisi nostaa esiin neljän hertsin alueella olevan piikin, joka mahdollisesti johtuu abs- järjestelmän jarrutuksen taajuudesta. Tämä tulkittaisiin niin, että yhdistelmän 16 renkaasta käyvät kaikki lukkiutuneena neljän sekunnin aikana. Toisaalta tapahtuman voi tulkita myös siten, että yksi rengas lukkiutuu aina 0,25 sekunnin välein, mikä tuntuu aivan sopivalta ajoneuvoyhdistelmälle. Uusilla ja kuluneilla renkailla taajuustasodiagrammista havaitaan, että 0,1 Hz taajuuden kohdalla esiintyy suuri piikki, joka vaikeuttaa diagrammin tulkintaa. Suuri piikki johtuu oletettavasti siitä, että Matlabin erikoistyökalulla tehdyt Fourier -muunnokset (FFT) tulkitsivat koko jarrutuksen ajan kestävän heilahduksen yhtenä siniaaltona. Kuva 40. Hidastuvuus taajuustasossa uusilla renkailla 13.3.2012 klo. 16.03. 64