Renkaan kuormitustilan vaikutus vierinvastukseen

Abstract

Opinnäytetyössä aiheena oli tutkia renkaan kuormitustilan vaikutusta vierinvastukseen. Renkaan kuormitustila on kuormasta aiheutuvaa taipumaa, pistevoimaa ja leikkausvoimaa. Tarkasteltavana kuormitustilana työssä käytettiin renkaan taipumaa kuormituksessa. Työssä käsiteltiin renkaan teoriaa, vierinvastusta ja sen vaikutusta taloudellisuuteen, vierinvastuksen mittausta ja laskentaa sekä FEM-ohjelman laskentamenetelmää.

Työ aloitettiin tekemällä renkaasta 3D-malli FEM-ohjelmaan, jonka avulla kuormitustiloja simuloitiin. 3D-malli tehtiin vastaamaan todellista rengasta niin vahvikkeiden, kumien kuin geometriankin osalta. FEM-mallissa renkaalle lasketettiin vierinvastuksen arvoja eri kuormituksen ja täyttöpaineen mukaan. FEM-mallia vastaavat kuormitustilat tehtiin todelliselle renkaalle vierinvastusmittauksessa. Mittauksien jälkeen pyrittiin FEM-laskentamalliin tekemään muokkauksia, jotta laskennan tulokset saatiin lähemmäksi todellisuutta. Työ tehtiin Nokian Renkaat Oyj:lle.

Alkuperäisen laskentamallin avulla saatiin tulokset eri painaumille sekä eri täyttöpaineille. Tuloksien pohjalta tehtiin mittaussuunitelma, joka toteutettiin koeosastolla. Simulaation ja todellisen mittauksen tuloksia vertailtiin ja niistä tehtiin päätelmiä kuormitustilan vaikutuksen suhteen.

Laskennassa ja mittauksessa syntyi virheitä, joita olivat muun muassa; FEM-mallin karkeus, likimääräinen kitkan määrä, mittalaitteen antureiden virheet sekä inhimilliset virheet mittausta suorittaessa. Näiden vaikutus kuitenkin todettiin tulosten kannalta merkityksettömäksi.

Kuormitustilan vaikutus renkaan vierinvastukseen on merkittävä kumin hystereesi-ilmiön johdosta. Renkaan vierinvastusvoima muuttuu epälineaarisesti suhteessa täyttöpaineeseen ja painauman syvyyteen. Taivutuksessa kumi muokkautuu ja tuottaa lämpöenergiaa. Jatkossa tulisi tarkastella myös pistevoiman aiheuttamaa osaa vierinvastukseen, jotta kuormitustilan vaikutuksesta saataisiin tarkempi käsitys.

In this thesis, the purpose was to examine the effect of the tyres load on rolling resistance. The load conditions are tyre bending, horizontal force applied to the tread section and shear force. The theoretical chapter contains basic information about passenger car tyres, rolling resistance and its impact on fuel economy. Information about measuring rolling resistance and calculation method of the rolling resistance using finite element method (FEM) were also reviewed.

First task of the thesis was to make a 3D-model of a tyre to the FEM-program. The 3D-model about the tyres was used to simulate the load conditions. Reinforcement fibers, rubbers and geometries were added into the 3D-model so it would match the real world tyre. In the FEM-program the rolling resistance values were calculated according to different load cases and inflating pressures. Same load conditions as in the simulation were created for the actual tyre in the rolling resistance measurement. After the measurements, attempt was make adjustments to calculation method to bring simulated results closer to reality. The work was done for Nokian Tyres Plc.

Original calculation method was used to calculate the results of different load –and pressure conditions. Based on the FEM-calculation results, a measurement plan was made and executed at the test laboratory. The result from the simulations and measurements were compared and conclusions were made from that data.

There were some errors included in both the simulations and measurements. Those errors were for example FEM-pattern roughness, approximated friction rate, measuring instrument errors and errors caused by humans. However, since the magnitude of the errors were negligible, their effects were found to be irrelevant for the results.

The effect of tyre load on rolling resistance is significant due to the rubber’s hysteresis phenomenon. The spindle force of the tyre changes nonlinearly in relation to inflating pressure and tyre’s vertical load. In bending, rubber deforms and produces heat because of the hysteresis phenomenon. In order to gain a better understanding of the effect of the tyre’s load on rolling resistance, the impact of the vertical load on the tread should be examined.