Kiihtyvyysanturillinen rengas vesiliirtotutkimuksessa - Aalto
Arto Niskanen Kiihtyvyysanturillinen rengas vesiliirtotutkimuksessa Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Valvoja: Professori Matti Juhala Ohjaaja: TkT Ari Tuononen Espoossa, 18.11.2013 Arto Niskanen Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 AALTO www.aalto.fi Diplomityön tiivistelmä Tekijä Arto Niskanen Työn nimi Kiihtyvyysanturillinen rengas vesiliirtotutkimuksessa Laitos Konetekniikka Professuuri Ajoneuvotekniikka Professuurikoodi Kon-16 Työn valvoja Professori Matti Juhala Työn ohjaaja TkT Ari Tuononen Päivämäärä 18.11.2013 Sivumäärä 62 Kieli suomi Tiivistelmä Renkaan ja tien välinen kontakti on yksi tärkeimmistä turvallisuustekijöistä liikenteessä. Ajoneuvon hallintaan vaadittavat voimat välitetään tämän kontaktin kautta ja siten sen säilyttäminen on ensiarvoisen tärkeää jokaisessa tilanteessa. Nykyiset ajonvakautus- ja turvallisuusjärjestelmät toimivat ajoneuvon tilaa mittaavien antureiden perusteella. Ne ilmaisevat ajoneuvon tilan, joka on seurausta tiekontaktissa tapahtuneista ilmiöistä. Mikäli itse kontaktia kyettäisiin arvioimaan suoraan, voitaisiin ajoneuvon hallintaan puuttua ennen pidon menetystä. Tutkimus renkaan käytöstä anturina on synnyttänyt käsitteen ”älykäs rengas”. Rengasanturoinnilla pyritään saamaan reaaliaikainen tieto renkaan ja tien välissä vallitsevista kitkaolosuhteista. Eräs yleisimmistä ja vaarallisimmista kitkaa vähentävistä tekijöistä liikenteessä on vesi. Vesiliirto on vaarallinen ilmiö, sillä sen johdosta ajoneuvon hallinta voidaan menettää täysin. Vesiliirron havainnointi on siten eräs tärkeimmistä rengasanturoinnin tehtävistä ajonvakautusjärjestelmiä kehitettäessä. Tässä työssä tutkitaan vesiliirtoa renkaan sisäpintaan asennetuilla kolmella kiihtyvyysanturilla. Mittaustuloksista ratkaistaan kontaktin pituudet ja antureiden käyttöä ajoneuvojärjestelmien ja rengaskehityksen apuna arvioidaan. Lisäksi itse vesiliirtoilmiötä ja sen vaikutusta kontaktiin tutkitaan kiihtyvyysanturitietojen perusteella. Kiihtyvyysanturimittausten lisäksi suoritetaan suurnopeuskuvaus lasilevyllä ja kuvia verrataan kiihtyvyysantureilla saatuihin tuloksiin. Mittaukset suoritetaan oikealla henkilöautolla testiradalla. Avainsanat vesiliirto, rengas, rengasanturointi, kiihtyvyysanturi, kontaktin pituus Aalto University, P.O. BOX 11000, 00076 AALTO www.aalto.fi Abstract of master's thesis Author Arto Niskanen Title of thesis Tire with accelerometers in aquaplaning research Department Engineering Design and Production Professorship Vehicle Engineering Code of professorship kon-16 Thesis supervisor Professor Matti Juhala Thesis advisor Ari Tuononen, DSc (tech.) Date 18.11.2013 Number of pages 62 Language Finnish Abstract The tire-road contact is one of the most important safety factors in traffic. A small area between the tire and the road transmits the forces needed to control a vehicle. Preserving this contact in every situation is highly important. The vehicle safety and stabilization systems rely on sensors which produce information about the occurring state of the vehicle. However, a real-time estimation of the contact friction could aid the stabilization systems to act before the loss of grip. “Intelligent tire” is a concept of tire to be used as a sensor. The real-time estimation of the contact friction can be done by instrumenting the tire. One of the most common and most dangerous friction-reducing factors in traffic is water. Aquaplaning is a dangerous phenomenon, which can cause the control of the vehicle to be lost completely. One of the most important tasks for a tire sensor is an aquaplaning observation when the stabilization systems are developed further. In this research, aquaplaning is being studied by the means of three accelerometers attached to the inner-liner of a tire. Contact lengths are calculated and the use of accelerometers as tire sensors is reviewed. The results are also compared with high-speed camera images on a glass plate. The measurements are done with a real passenger car in a test track environment. Keywords aquaplaning, tire, tire sensor, accelerometer, contact length Alkusanat Tämä työ on tehty Aalto-yliopiston auto- ja työkonetekniikan laboratoriolla. Haluan kiittää kaikkia laboratoriolla työskenteleviä erittäin antoisasta työilmapiiristä ja avusta niin diplomityössä kuin sen ulkopuolellakin. Erityiskiitokset haluan lausua Pekka Marteliukselle ja Mika Matilaiselle, joiden aikaisempi työ oli korvaamaton apu näissä mittauksissa. Lisäksi suuret kiitokset kuuluu Ari Tuonoselle rattimiehen otteista testiradalla. Vesiliirrotonta syksyä toivottaen, Arto Niskanen Sisällysluettelo Käytetyt lyhenteet .................................................................................................................. 1 Käytetyt muuttujat ................................................................................................................. 2 1 Johdanto .............................................................................................................................. 3 2 Teoria .................................................................................................................................. 5 2.1 Rengasanturointi .......................................................................................................... 6 2.2 Vesiliirto .................................................................................................................... 10 2.2.1 Kolmen alueen malli ........................................................................................... 12 2.2.2 Vesiliirtonopeus .................................................................................................. 14 2.2.3 Mallinnus ............................................................................................................ 16 2.2.4 Suurnopeuskuvaus .............................................................................................. 18 3 Mittaukset ......................................................................................................................... 20 3.1 Mittalaitteisto ............................................................................................................. 20 3.1.1 Anturointi ............................................................................................................ 21 3.1.2 Kiihtyvyysanturit ................................................................................................ 23 3.1.3 Tiedonkeruu ........................................................................................................ 24 3.1.4 Mittausohjelma ................................................................................................... 26 3.1.5 Suurnopeuskuvaus .............................................................................................. 26 3.2 Mittaustiedon käsittely ............................................................................................... 27 3.2.1 Kiihtyvyysanturisignaalin käsittely .................................................................... 27 3.2.2 Kontaktin pituuden määritys ............................................................................... 30 3.2.3 Kiihtyvyyshuippujen määrittäminen................................................................... 32 4 Tulokset ja analysointi ...................................................................................................... 35 4.1 Kontaktin pituudet ..................................................................................................... 35 4.2 Kiihtyvyysanturisignaali renkaan kulman funktiona ................................................. 44 4.3 Kiihtyvyysanturisignaali epätasaisuuksissa ............................................................... 52 4.4 Suurnopeuskamerakuvat ............................................................................................ 53 4.5 Vesiliirtonopeudet ...................................................................................................... 57 5 Johtopäätökset ................................................................................................................... 59 6 Ehdotuksia tuleviin tutkimuksiin ...................................................................................... 62 Lähteet Käytetyt lyhenteet ABS = Antilock Brake System, lukkiutumaton jarrujärjestelmä ESC = Electronic Stability Control, elektroninen ajonvakautusjärjestelmä FAR = Footprint Aspect Ratio, kontaktialasuhde FEM = Finite Element Method, elementtimenetelmä FIR = Finite Impulse Response, äärellinen impulssivaste HSC = High Speed Camera, suurnopeuskamera IIR = Infinite Impulse Response, ääretön impulssivaste OTS = Optical Tire Sensor, optinen rengasanturi 1 Käytetyt muuttujat g = gravitaatiokiihtyvyys, (9,81 m/s2) Vp = vesiliirtonopeus (km/h) Vp(mph) = vesiliirtonopeus, (mph) p = rengaspaine (bar) ppsi = rengaspaine (psi) FAR = kontaktialasuhde, (leveys/pituus) Fhyd = hydrodynaaminen nostovoima (N) CL = nostovoimakerroin ρ = nesteen tiheys (kg/m3) A = kontaktin pinta-ala (m2) v = nopeus (m/s) a = keskeiskiihtyvyys (m/s2) r = anturin etäisyys renkaan keskiakselilta (m) 2 1 Johdanto Tien ja renkaan välinen kontakti on yksi tärkeimmistä turvallisuustekijöistä liikenteessä. Kontaktin näennäinen pinta-ala on noin kämmenen kokoinen alue ja on väitetty, että tehollinen kontaktin ala olisi tästä pinta-alasta vain noin 1 % [1]. Kontaktissa vallitsevia kitkailmiöitä ei vielä täysin tunneta ja ne ovatkin mielenkiinnon kohteena monissa tutkimuksissa. Tämän pienen pinta-alan hyödyntäminen on äärimmäisen tärkeää ajoneuvojen turvallisuutta parannettaessa. Erilaiset ajoneuvojen turvajärjestelmät, kuten lukkiutumaton jarru- (antilock brake system, ABS), vetoluistonesto- (traction control system, TCS) sekä ajonvakautusjärjestelmä (electronic stability control, ESC) tarvitsevat tietoa ajoneuvon tilasta antureiden välityksellä. Tällaisia tietoja ovat muun muassa auton ajonopeus, pystykiertymänopeus ja kiihtyvyydet eri suuntiin sekä renkaiden pyörimisnopeudet ja ohjauspyörän kulma. Näiden tietojen avulla voidaan verrata ajoneuvon sen hetkistä tilaa kuljettajan pyytämään nimelliskäytökseen, jota estimoidaan ajoneuvon liikedynamiikkaan pohjautuvalla matemaattisella mallilla, jossa syötteenä voi olla esimerkiksi kuljettajan tekemä ohjauskulma sekä kaasu- ja jarrupolkimen asento. Kuljettajan syötteiden pohjalta lasketun mallin ja todellisten anturitietojen erotusta voidaan verrata ja siten ajonvakautusjärjestelmä voi korjata auton liikkeitä esimerkiksi yksittäisiä jarruja käyttämällä tai moottorista otettavaa tehoa säätämällä. Järjestelmien toimivuus perustuu auton liikkeitä mittaaviin antureihin ja ne kertovat mitä renkaan ja tien kosketuspinnassa on jo tapahtunut. Voidaan siis olettaa, että mikäli renkaan ja tien kontaktissa tapahtuvia ilmiöitä voitaisiin mitata, saataisiin ajonvakautusjärjestelmä toimimaan korjaavasti ennen kuin pidon menetys aiheuttaa ajoneuvojen epästabiilin käytöksen. Tienpinnan kitkatason yhteyttä liikenneturvallisuuteen on tarkasteltu muun muassa ruotsalaisessa tutkimuksessa, jossa verrattiin liikenneonnettomuuksien määrää vallinneisiin kitkaolosuhteisiin [2]. Kitkatason laskiessa onnettomuuksien mahdollisuus kasvaa huomattavasti. Vesi on yleisin tienpinnan kitkaa vähentävä tekijä ja siksi sen huomioiminen ajotilanteissa on välttämätöntä. Yleensä asfalttipinnalla pito säilyy kosteudestakin huolimatta kohtalaisena, sillä pinnan karheudet auttavat säilyttämään 3 kontaktin renkaan ja tien välillä. Tilanne muuttuu, kun veden määrä kasvaa ja vesiliirtotilanne muodostuu. Täydellisessä vesiliirrossa renkaan ja tien välillä ei ole kontaktia. Tällöin ajonvakautuksen tekemät korjaukset eivät välity tiehen ja ne voivat vaikuttaa vasta, kun kontakti jälleen muodostuu. Siten vesiliirto tulisi pystyä tunnistamaan jo sen syntyvaiheessa, jotta ajoneuvon hallinta säilytettäisiin koko ajan. Tässä työssä tutkitaan kiihtyvyysantureiden käyttömahdollisuutta rengasanturoinnissa vesiliirron tunnistamisen apuna. Lisäksi tutkitaan mittauksista saatujen tuloksien avulla itse vesiliirtoilmiötä. Mittauksissa käytetään kolmella kiihtyvyysanturilla varustettua henkilöauton rengasta. Mittaukset suoritetaan oikeassa mittakaavassa testiradalla vesialtaassa. Tämän lisäksi suoritetaan suurnopeusvideokuvaus lasin läpi. Lasin päällä on nestekerros ja yliajo kuvataan alapuolelta. Otettuja kuvakaappauksia verrataan kiihtyvyysanturimittauksista saataviin tuloksiin. Mittaukset suoritetaan kytkin ja jarrut vapautettuna, eli renkaaseen ei kohdistu vääntömomenttia. Tämän tutkimuksen tulokset siis kuvaavat vapaasti pyörivän renkaan tilannetta suoraan ajettaessa. 4 2 Teoria Rengas on yksinkertaisesta ulkomuodostaan huolimatta monimutkainen rakenne. Kuva 1 esittää tyypillisen henkilöauton renkaan rakenteen. Renkaan runko koostuu runkokoordeista, jotka on kierretty sivuilta kaapelin ympäri. Kaapeli muodostaa jalkaalueelle mittatarkan ympärysmitan, minkä ansiosta rengas pysyy vanteella. Koordit on vulkanoitu runkokumiin, jonka sisäpinta on ilmatiivistä kumimateriaalia. Runkokoordien päällä on teräsvyöt, jotka jäykistävät kulutuspinnan ja pitävät sen tasaisena rengaspaineesta huolimatta. Teräsvöiden lisäksi käytetään kulutuspinnan kumin alla nylonvyötä. Kuva 1. Renkaan rakenne. Lähde: Nokian Renkaat Vyörakenteiden lisäksi rengas sisältää useaa eri kumilaatua. Erilaista kumia käytetään esimerkiksi rungossa, renkaan sisäpinnalla, kulutuspinnan alla ja itse kulutuspinnassa. Kulutuspinnan kumikin voi vaihdella olka-alueen ja keskiosan välillä. Erilaiset kumilaadut ja vyörakenteet vaikuttavat ratkaisevasti renkaan ominaisuuksiin ja siten esimerkiksi niiden tarkka mallintaminen renkaiden tuotekehityksessä yleisesti käytettyä tietokonesimulointia varten voi olla haastavaa. Renkaan materiaaliparametrit joudutaankin määrittelemään kokeellisesti, sillä vulkanoitu lopputulos ei välttämättä ole yksittäisten osiensa summa. 5 Vesiliirron kannalta ratkaisevassa osassa on pintakuviointi, joka huolehtii riittävästä veden varastointikyvystä. Urat mahdollistavat kumin ja tien välissä olevalle vedelle lyhyen poistumistien. Toisaalta liikaa kuvioidun renkaan kulutuspinnan jäykkyys kärsii ja ajoominaisuudet voivat huonontua ratkaisevasti. Kuvioinnissa keskitytäänkin yleensä mahdollisimman tehokkaan vedenpoistokyvyn aikaansaamiseen kulutuspinnan jäykkyyttä liiaksi heikentämättä. Esimerkiksi erilaiset lamellien itselukittumisrakenteet ovat nykyään yleisiä kehittyneen muottitekniikan ansiosta. Lamellit takaavat tehokkaan vedenpoiston mutta lukittumisominaisuus mahdollistaa jäykän rakenteen ja siten riittävän voimantuottokyvyn. Kulutuspinnan lisäksi renkaan rungon jäykkyys ja rengaspaine vaikuttavat vesiliirto-ominaisuuksiin. 2.1 Rengasanturointi Ajoneuvojen ajonvakautusjärjestelmien koko ajan kehittyessä ja laskentatehon noustessa on mahdollisuus käyttää yhä reaaliaikaisempaa tietoa ajoneuvon tilasta järjestelmien laskennan pohjalla. Koska renkaan ja tien välinen kontakti määrää ajoneuvon käytettävissä olevan pidon, on tutkittu mahdollisuutta käyttää rengasta anturina, jolla voidaan määrittää vallitsevat kitkaolosuhteet. Tämä tutkimus osana laajempaa rengasanturointitutkimusta on synnyttänyt käsitteen ”älykäs rengas” (intelligent tire). Rengasanturitutkimukset muodostavat jo eräänlaisen tutkimushaaran ja niiden tuloksena on syntynyt laajalti kokemusta erilaisista anturityypeistä kyseisessä käytössä. Anturityypin valinta riippuu muun muassa tutkimuksen kohteena olevasta ilmiöstä, mittausten aikana vallitsevista olosuhteista sekä anturin hinnasta. Aina tarkoitus ei ole mitata tiettyä ilmiötä mahdollisimman tarkasti kalliilla mittauslaitteistolla vaan tutkimuksen kohteena voi olla hinnaltaan ja ominaisuuksiltaan tuotantoon mahdollisesti soveltuvan anturoinnin käyttökelpoisuuden tutkiminen. Lähes aina tietty anturityyppi ei ole paras vaihtoehto kaikilla osa-alueilla, vaan kyseiseen käyttöön joudutaan valitsemaan paras kompromissi. Tehdyt tutkimukset auttavat valitsemaan oikeita tapoja anturoinnin toteuttamiseen uusia tutkimuksia suoritettaessa ja turvallisuusjärjestelmiä kehitettäessä. Ensimmäisiä rengasanturointeja oli Darmstadtin teknillisen yliopiston tutkijoiden Hallilmiöön perustuva kulutuspinnan muodonmuutoksia mittaava anturointi [3]. Kulutuspinnan kumiin vulkanoidun magneetin liikkeet havaittiin renkaan sisäpinnassa olevalla Hall6 elementillä. Näin saatiin tieto kulutuspinnan muodonmuutoksista ja siten jännityksistä sekä venymistä, joiden pohjalta voitiin arvioida kitkatasoa. Lisäksi arviointiin käytettiin renkaan ulkopuolisia antureita, joilla mitattiin muun muassa tienpinnan karheutta sekä vetisyyttä. Optiset rengasanturit (optical tire sensors, OTS) ovat osoittautuneet tarkoiksi muun muassa kontaktipinnan ja rungon muodonmuutosten mittaamisessa. Optisilla antureilla tarkoitetaan tässä tapauksessa laseriin tai led-fotodiodi – pariin perustuvia antureita. Ledfotodiodi – pariin perustuvaa anturointia on käytetty vesiliirron aiheuttaman renkaan muodonmuutoksen mittaamiseen [4]. Kyseisessä tutkimuksessa mitattiin vanteessa olevalla fotodiodilla renkaan sisäpintaan liimatun ledin lähettämän valon intensiteettiä, josta pääteltiin vanteen ja renkaan välinen etäisyys. Kuva 2 esittää mitatun siirtymän kahdella eri nopeudella kuivalla asfaltilla sekä vedessä. Kuvasta voidaan havaita selvästi vesiliirron aiheuttama muodonmuutos kontaktin etuosassa. Kuva 2. Kontaktin muodonmuutos vesiliirrossa ja kuivalla asfaltilla optisella rengasanturilla mitattuna. Muokattu lähteestä [4]. Myöhemmin kyseistä anturointia käytettiin reaaliaikaiseen vesiliirron havaitsemiseen [5]. Käytetty algoritmi perustui ledin lähettämästä valosta mitatun intensiteetin painotettuun keskiarvoon viideltä renkaan kierrokselta. Tästä signaalista etsittiin massakeskipiste, joka 7 sijaitsee eri renkaan pyörähdyskulmalla riippuen siitä onko kyseessä kuiva alusta vai vesiliirto. Vesiliirron tapauksessa intensiteettisignaalin massakeskipiste siirtyi pienemmälle renkaan pyörähdyskulmalle, koska vesi nostaa kontaktin etuosaa lähemmäs vannetta. Tutkimuksessa pystyttiin havaitsemaan osittainen vesiliirto reaaliaikaisesti jo 40 km/h nopeudessa. Toisaalta jarrutus- ja kiihdytysvoimat vaikuttivat signaaliin niin paljon, että kyseistä algoritmia voitiin käyttää vain tarpeeksi pienen pitkittäiskiihtyvyyden vallitessa. Kuva 3 esittää laseranturilla mitatun renkaan muodonmuutoksen vesiliirrossa sekä kuivalla alustalla [6]. Kyseisessä tutkimuksessa laseranturi oli asennettuna vanteeseen ja sillä mitattiin renkaan sisäpinnan etäisyyttä vanteesta. Kuvasta voidaan havaita jälleen vesiliirron aiheuttaman hydrodynaamisen paineen vaikutus kontaktin etuosaan. Suurimman muodonmuutoksen kohta siirtyy vesiliirtotilanteessa edemmäs kontaktissa. Kuva 3. Laseranturilla mitattu renkaan muodonmuutos vesiliirrossa ja kuivalla alustalla. Muokattu lähteestä [6]. Laseranturointia on käytetty myös kulutuspinnan asymmetrisen puristumisen mittaamiseen vierinvastusta tutkittaessa [7]. Tutkimuksessa käytettiin kahta laseranturia, joista toinen oli kiinnitetty vanteeseen ja se mittasi renkaan sisäpinnan etäisyyttä vanteesta. Toinen anturi oli kiinnitetty liukurenkaalla kiinni pyörän napaan ja se mittasi navan etäisyyttä tien tai testirummun pintaan. Näiden etäisyyksien avulla voitiin laskea kulutuspinnan puristuma kontaktin alueella ja siten havaita vierinvastuksen syntyminen. Kontaktin etuosassa 8 kulutuspinta puristuu enemmän kuin takaosassa, mikä johtuu kumin hystereesisestä ominaisuudesta. Vaikkakin optiset anturoinnit ovat tarkkoja ja monikäyttöisiä, niiden vaatima paikoitustarkkuus kuitenkin vaikeuttaa niiden käyttöä mahdollisissa sarjatuotantorenkaissa. Rengastutkimuksen ja tuotekehityksen apuna ne voivat olla erittäin tehokkaita. Kiihtyvyysanturit ovat kestäviä ja pienikokoisia sekä hinnaltaan edullisia verrattuna moneen muuhun anturityyppiin. Niitä käytetään monilla eri aloilla lukuisiin eri käyttökohteisiin. Siksi ne ovat myös yksi mielenkiintoisimmista anturityypeistä rengasanturointia mietittäessä. Kiihtyvyysantureiden hinta ja koko mahdollistaisivat niiden käytön jo nykyisellään ainakin mittauskäyttöön valmistettavissa piensarjatuotantorenkaissa. Kiihtyvyysantureita on käytetty muun muassa rengasmelua tutkittaessa [8]. Kyseisessä tutkimuksessa selvitettiin melun syntymekanismia betonilaattojen liitoskohdissa. Renkaan värähtelyä mitattiin kiihtyvyysanturilla, joka oli sijoitettu kulutuspinnan uraan. Kuva 4 esittää mittauksissa saadun pystysuuntaisen kiihtyvyyssignaalin. Signaalista voidaan havaita anturin saapuminen kontaktiin, joka tapahtuu noin 80 - 90 ms aikavälillä. Lisäksi kiihtyvyysanturin signaalista havaitaan renkaan rungon värähtely. 20 – 40 ms aikavälillä nähdään suuret kiihtyvyyshuiput, jotka aiheutuvat renkaan osumisesta betonilaattojen väliseen pieneen rakoon. Kiihtyvyysanturilla voidaan havaita siis pelkän kontaktin lisäksi myös muita ilmiöitä, jotka esiintyvät erilaisina värähtelytiloina renkaassa. Värähtelyt kertovat muun muassa renkaiden rakenteellisista ominaisuuksista. Kiihtyvyysanturointia on tämän lisäksi käytetty ainakin rengasvoimia, kitkaa ja renkaan muodonmuutoksia arvioitaessa [9] sekä kontaktin pituutta määritettäessä [10]. Näistä jälkimmäisessä tutkimuksessa käytettiin samanlaista mittaustapaa ja anturointia kuin tässä tutkimuksessa, mutta antureita oli käytössä vain yksi. 9 Kuva 4. Pystysuuntainen kiihtyvyyssignaali rengasmelumittauksissa. Signaali yhdeltä renkaan kierrokselta mustalla, keskiarvona koko mittauksen ajalta punaisella. Muokattu lähteestä [8]. Kiihtyvyysanturin tulee toimia kohtalaisen korkealla päivitysnopeudella, jotta signaalista voidaan saada selville halutut ilmiöt. Rengasanturoinnin keskeisimpiä haasteita ovat energian- ja tiedonvälitys ajoneuvon ja renkaan välillä. Langallinen energian- ja tiedonsiirto vaatii pyörivässä renkaassa liukurenkaan käyttöä. Liukurengas on kuluva osa ja herkkä vaativille olosuhteille, joissa rengas joutuu toimimaan. Langattoman anturi/lähetinyksikön ongelmana on korkeampi hinta ja suurempi koko. Energiansaanti voidaan toteuttaa esimerkiksi pietsosähköisellä muuntimella renkaan värähtelystä. Myös langaton energianvälitys elektromagneettisen säteilyn välityksellä on mahdollista, kuten RFIDtunnisteiden käytössä [11]. 2.2 Vesiliirto Vesiliirto on erittäin vaarallinen ilmiö liikenteessä, sillä sen johdosta ajoneuvon hallittavuus voidaan menettää kokonaan. Varsinkin Suomessa mahdollisuus vesiliirrolle on erittäin suuri, sillä säät ovat hyvin vetisiä aina kevättalven sohjokeleistä syksyn rankkasateisiin. Paitsi renkaan suunnittelussa, riittävä vesiliirron ehkäisy tulee ottaa huomioon myös teiden suunnittelussa. Riittävät kaatokulmat ja sopivan karkeapintainen 10 materiaali takaavat vedenpoiston ja riittävän pidon suuremmillakin sademäärillä. Toisaalta teiden rakennuksessa joudutaan huomioimaan monia muitakin asioita, kuten kuluminen, melu, kustannukset ja kumipölyn muodostuminen. Tällöin esimerkiksi pinnankarheuden valinta ei välttämättä ole optimaalinen vesiliirtoa ajatellen. Lisäksi Suomen tiestö kohtaa rankkoja olosuhteita lämpötilavaihteluiden ja nastarenkaiden muodossa. Nämä kuluttavat tienpintaa, jolloin pinnankarheus kuluu pois ja syntyy ajouria, joihin vesi varastoituu. Ajouriin varastoituva vesi on erittäin vaarallista, sillä renkaan syrjäyttämä vesi ei pääse poistumaan suoraan sivulle kuten tasaisen tien tapauksessa, vaan se kohtaa uran reunan. Tällöin vesiliirtotilanne syntyy helpommin myös takarenkaalle, koska osa eturenkaan syrjäyttämästä vedestä valuu takaisin uran pohjalle. Renkaiden vesiliirto-ominaisuudet ovat olleet sekä rengasvalmistajien, että ajoneuvojen ja niiden ajonvakautusjärjestelmien valmistajien mielenkiinnon kohteena jo pitkään. Tekniikan tasoa voi seurata esimerkiksi patenttien muodossa. Patentteja löytyy niin suoraan renkaisiin ja niiden kuviointiin liittyviä [12], kuin myös ajonvakautusjärjestelmien vesiliirron tunnistukseen tehtyjä keksintöjä [13,14]. Renkaisiin liittyvät patentit koskevat yleensä pintakuviointia ja sen erilaisia muotoja. Ajonvakautusjärjestelmiin liittyvät patentit ovat pääosin periaatepohjaisia ratkaisutapoja vesiliirron tunnistamisen avuksi. Ensimmäisiä julkaistuja tutkimuksia vesiliirrosta tekivät NASA:n tutkijat 1960-luvulla [15]. Mielenkiinnon kohteena olivat lentokoneiden mahdolliset vesiliirtotilanteet vetisillä kiitoradoilla. Tällöin suoritettiin ensimmäisiä vesiliirtokuvauksia lasilevyllä ja esitettiin laskennallisia lähestymistapoja vesiliirtoilmiöön. Tähän aikaan käytettiin yleisesti ristikudosrenkaita, joiden vesiliirto-ominaisuudet eroavat huomattavasti nykyään käytettävistä vyörenkaista. Ristikudosrenkaan kulutuspinnan osuessa maahan syntyy reunoille ristikudosrakenteesta johtuva sivuttaisvoima, joka pyrkii puristamaan kulutuspintaa kasaan. Tämä ilmiö aiheuttaa uritetussa renkaassa ripojen yhteen painautumisen ja siten urien peittymisen (groove closure). Kuivalla tiellä kitka on tarpeeksi suuri vastustamaan ripojen sivuttaissiirtymää mutta vesiliirtotilanteessa kitka pienenee ja rivat pääsevät painumaan toisiaan vasten. Tällöin kontaktipinta-ala säilyy näennäisesti samana mutta urien peittyessä vedenpoistokyky heikkenee ja vesiliirto syntyy alhaisemmassa nopeudessa [16]. Vyörenkaissa ilmiö on huomattavasti vähäisempi 11 jäykistävän vyön ansiosta. Vyörenkaiden rakenne on jäykempi ja siten kulutuspinta ei muotoudu vedenpaineen ansiosta yhtä paljon kuin ristikudosrenkaissa. Nämä erot näiden rengastyyppien välillä tulee muistaa esimerkiksi vanhempia laskennallisia lähestymistapoja käytettäessä. 2.2.1 Kolmen alueen malli Vesiliirtoa voidaan esittää yleisesti tunnetulla kolmen alueen mallilla (three zone concept). Kuva 5 esittää kyseisen mallin, jossa kontakti tien ja renkaan välillä märällä pinnalla jaetaan kolmeen alueeseen. Ensimmäinen alue A on hydrodynaamisen vesiliirron alue. Tällöin renkaaseen osuva vesi aiheuttaa hydrodynaamisen paineen, joka pyrkii nostamaan rengasta. Alue B on viskoosisen vesiliirron alue, jolla kumi pääsee jo osittaiseen kosketukseen pinnankarheuksien huippujen kanssa. Kontaktin välissä on kuitenkin vettä, joka joutuu puristumaan pois kumin ja tien välistä. Tällöin ratkaiseva tekijä on nesteen viskoosisuus. Vaikka veden viskositeetti on kohtalaisen pieni, voi tien pinnalla olla muitakin aineita, kuten asfaltista irtoavia öljyjä, jotka voivat nostaa veden viskositeettia [17]. Tienpinta onkin usein liukkaimmillaan juuri sateen alettua, kun epäpuhtaudet ja öljyt eivät vielä ole huuhtoutuneet veden mukana pois. Kuva 5. Kolmen alueen malli (three-zone concept ). Muokattu lähteestä [18]. Kolmas alue C on varsinaisen tiekontaktin alue, jolla suurin osa kitkasta syntyy. Kontakti ei kuitenkaan vastaa täysin kuivan pinnan tilannetta, sillä vettä jää pinnankarheuksien pohjalle. Kuva 6 esittää pinnankarheuksiin jäävän veden, joka eristää kumin ja 12 mikrokarheudet toisistaan. Tällöin saavutettava maksimikitka pienenee, vaikka kumi on makrokarheuksien kautta kosketuksessa tiehen [19]. Kuva 6. Kumin ja tienpinnan mikrokarheuksien väliin jäävä vesi. Muokattu lähteestä [19]. Hydrodynaaminen vesiliirto aiheutuu veden inertiasta. Ajonopeuden kasvaessa riittävän suureksi, ei vesi ehdi poistua renkaan ja tien välistä, vaan se synnyttää hydrodynaamisen paineen kontaktipintojen väliin. Kuva 7 esittää hydrodynaamisesta paineesta aiheutuvan rengasta nostavan voiman Fhyd, joka tietyllä ajonopeudella kasvaa niin suureksi, että rengas nousee kokonaan irti tiestä vesipatjan päälle. Hydrodynaaminen vedenpaine syntyy kontaktin etuosassa ja se aiheuttaa renkaan pyörimistä vastustavan momentin [20]. Paineen synnyttämä voima voi kasvaa niin suureksi, että se kumoaa renkaan pyörimisen aiheuttavan kitkavoiman. Tällöin renkaan pyöriminen hidastuu ja se voi pysähtyä kokonaan (spin-down) [15]. Tämä voi edelleen edesauttaa vesiliirtoa, sillä pyörimättömän renkaan vesiliirtonopeuden on tutkittu olevan pyörivää rengasta alhaisempi [21]. Esimerkiksi vesiliirtonopeuksissa pysähtyneen renkaan jarrutuskyky ei parane vaikka jarrua painettaisiin. Pitkittäisen voimantuoton lisäksi renkaan sivuvoimantuottokyky menetetään vesiliirrossa. Tämä on vaarallista normaaleissa maantienopeuksissa, jolloin jarru- tai kiihdytysvoimaa ei välttämättä tarvita, mutta auton tulee pysyä sivuttaissuunnassa hallinnassa. Vesiliirrossa pienikin heräte auton pystykiertymään saattaa aiheuttaa pyörähtämisen. Tämä heräte voi olla vaikka erisuuruinen vedestä aiheutuva autoa hidastava voima eri renkaissa. 13 Kuva 7. Kontaktipaineen ja hydrodynaamisen paineen jakauma sekä hydrodynaamisen paineen aiheuttama voima kontaktin etuosassa. Koska vesiliirto syntyy renkaan etureunalla, osittainen vesiliirto siirtää tiekontaktissa syntyvää renkaan sivuttaisvoiman resultanttia taaksepäin. Tällöin palauttava momentti voi jopa kasvaa vaikka todellisuudessa renkaan voimantuottokyky heikkenee. Kuljettajalle tilanne on vaarallinen, sillä ohjauspyörän välityksellä aistittava palauttava momentti voi tuntua siltä, että pito on hyvä vaikka rengas on menettämässä kosketuksen tiehen [22]. 2.2.2 Vesiliirtonopeus NASA:n tekemät vesiliirtotutkimukset synnyttivät ensimmäisten joukossa laskennallisen tavan määrittää vesiliirron muodostuminen. Mittauksissa ja kuvauksissa määriteltiin lentokoneen renkaiden vesiliirtonopeudelle laskennallinen kaava. Tämä yleisesti tunnettu kaava pohjautuu siis empiiriseen tutkimukseen ja se riippuu ainoastaan rengaspaineesta. Horne sai kokeellisesti lentokoneen ristikudosrenkaalle vesiliirtonopeudeksi [15]: √ (1) jossa Vp(mph) on vesiliirtonopeus (mph) ja ppsi on rengaspaine (psi). Yksikkömuunnosten jälkeen yhtälö on seuraava: √ jossa Vp on vesiliirtonopeus (km/h) ja p on rengaspaine (bar). 14 (2) Kaava pohjautuu hydrodynaamisen paineen aiheuttaman nostovoiman laskukaavaan. Hydrodynaaminen nostovoima lasketaan seuraavasti: (3) jossa CL on nostovoimakerroin, ρ on nesteen tiheys, A on kontaktin pinta-ala ja v nopeus. Nostovoiman kaavasta saadaan johdettua Hornen kaava seuraavilla oletuksilla. Nostovoiman ja kontaktin pinta-alan suhde (Fhyd/A) vastaa rengaspainetta p. Nesteellä on veden tiheys ja nostovoimakerroin on 0,7 [15]. Myöhemmin tämän kaavan pitävyyttä on testattu uudemmilla lentokoneen vyörenkailla. Tällöin havaittiin, että Hornen kaava antaa liian suuria vesiliirtonopeuksia ja sen käyttöä tulisi harkita. Vyörenkailla vesiliirtonopeudeksi saatiin noin 30 prosenttia alhaisempi nopeus kuin Hornen kaavalla [23]. Pääasialliseksi syyksi alhaisempiin nopeuksiin havaittiin vyö- ja ristikudosrenkaan väliset erot kontaktin muodossa. Lentokoneiden vesiliirtotilanteiden tutkiminen johti myös autojen renkaiden tutkimiseen. Kuorma-auton renkaiden vesiliirtoon vaikuttavaksi tekijäksi Horne määritteli kontaktialasuhteen, joka on kontaktialan leveys jaettuna sen pituudella (footprint aspect ratio, FAR). Kontaktialan suhteen merkitys havaittiin, koska kuorma-auton renkaan vesiliirtonopeuteen vaikutti olennaisesti renkaan kuormitus, joka muutti kontaktialasuhdetta selvästi enemmän kuin lentokoneen renkaassa. Kuorma-auton renkaan vesiliirtonopeudeksi saatiin [24]: √ (4) jossa Vp(mph) on vesiliirtonopeus (mph), FAR on kontaktialan leveyden suhde sen pituuteen ja ppsi on rengaspaine (psi). Yksikkömuunnosten jälkeen yhtälö on seuraava: √ (5) jossa Vp on vesiliirtonopeus (km/h), ja p on rengaspaine (bar). Havaitaan, että mitä pidempi ja kapeampi kontakti on, sitä korkeammaksi vesiliirtonopeus muodostuu. Pitkässä 15 kontaktissa kumilla on enemmän aikaa tunkeutua vesikerroksen läpi. Kapea kontakti pienentää pinta-alaa ja siten hydrodynaamisesta paineesta aiheutuvaa nostovoimaa. 2.2.3 Mallinnus Laskentatehon noustessa, tietokoneella mallintaminen muuttuu yhä tarkemmaksi. Elementtimenetelmällä (FEM, finite element method) tehdyt rengasmallinnukset ovat yksi nykypäivän tehokkaimmista renkaan kehitystyökaluista. Tietokonemallinnus vaatii suhteellisen pienet investoinnit ja esimerkiksi erilaisia pintamalleja voidaan verrata ilman suuria koejärjestelyjä ja prototyyppirenkaiden valmistusta. Mittaustietoa tarvitaan kuitenkin mallien verifiointiin ja parametrien määrittelyyn. Rengasanturit voivat tuottaa tarkkaa mittatietoa oikeista olosuhteista ja siten toimia apuna mallinnusta käytettäessä. Vesiliirron mallinnuksessa joudutaan tarkastelemaan rengasta, vettä sekä tietä erillisinä elementteinä. Näiden välillä vallitsee rajapinnat. Yleinen tapa on mallintaa vesi eulerilaisena nesteenä ja rengas sekä tie lagrangelaisena rakenteena [25]. Erot näiden kahden menetelmän välillä ovat lähinnä koordinaattien ja materiaalivasteiden esityksessä. Renkaaseen käytettävässä Lagrangen esityksessä koordinaatisto seuraa materiaalin mukana ja siten materiaalien rajapinnat ovat tarkemmin ratkaistavissa. Menetelmä menee suurilla muodonmuutoksilla kuitenkin monimutkaiseksi ja siten vedelle käytetään Eulerin menetelmää. Eulerin menetelmässä koordinaatisto on liikkumaton ja materiaali virtaa elementtien sisällä. Täten laskentatehoa ei kulu koordinaatiston muutoksien laskentaan. Näiden kahden menetelmän väliseen vuorovaikutukseen käytetään ALE -ilmaisua (ALE, arbitrary Lagrangian-Eulerian), jolla molempien menetelmien parhaita puolia voidaan yhdistää. Kuva 8 esittää erään mallinnuksen avulla ratkaistut kontaktipinnan pystysuuntaiset siirtymät vesikontaktissa [18]. Mallinnuksesta voidaan havaita kontaktin etuosaan syntyvän vedenpaineen aiheuttama kontaktipinnan muodonmuutos. Mallinnuksessa tehdyt havainnot voivat auttaa mittauksia suunniteltaessa löytämään oikeat keinot haluttujen ilmiöiden mittaamiseen. Muun muassa arvioita ominaisuuksista voidaan tehdä mallinnusten pohjalta. 16 mittausvälineiltä vaadittavista Kuva 8. Kontaktipinnan mallinnettu pystysuuntainen siirtymä vesiliirtotilanteessa. Suurin siirtymä punaisella värillä, pienin siirtymä sinisellä värillä. Muokattu lähteestä [18]. Kuva 9 esittää hyvin varhaisia mallinnuksia 90-luvulta [26]. Pintakuviottoman renkaan poikkileikkaukset on esitetty kahdella eri nopeudella sekä vedessä, että kuivalla alustalla. Hitaammassa nopeudessa veden vaikutus renkaaseen ei vielä aiheuta suurta muodonmuutosta, joskin kontaktin ala pienenee renkaan noustessa vesipatjan päälle. Suuremmassa nopeudessa kontaktin muoto on selvästi muuttunut. Hydrodynaaminen paine nostaa kontaktin keskialuetta ylöspäin ja varsinainen tiekontakti syntyy enää reuna-alueilla. Jo varhaisista yksinkertaisista mallinnuksista voitiin havaita vesiliirron syntyminen ja sen vaikutus kontaktiin. Nykyisin mallinnukset ottavat huomioon paljon enemmän muuttujia ja siten esimerkiksi pintakuvioiden vaikutus voidaan mallintaa huomattavan tarkasti. 17 Kuva 9. Mallinnetut renkaan poikkileikkaukset vesiliirtotilanteessa sekä kuivalla alustalla eri nopeuksilla. Muokattu lähteestä [26]. Mallinnuksen avulla voidaan vertailla erilaisia rakenneratkaisuja vaikkakaan numeeriset arvot eivät olisi täysin yhteneviä oikean tilanteen kanssa. Mallinnuksessa esimerkiksi erilaiset tienpinnat voi olla vaikea ottaa mukaan tarkasteluun, vaikka ne vaikuttavat olennaisesti vesiliirtoon. Mallinnuksella tehdyn vertailun jälkeen voidaan suorittaa mittaukset oikeassa ympäristössä ja saadaan vertailukohta oikean ja mallinnetun tilanteen välille. Kalliit prototyyppirenkaat voidaan vertailla jo tietokoneella ja valmistaa vain parhaaksi osoittautuneet vaihtoehdot. 2.2.4 Suurnopeuskuvaus Vesiliirtotutkimuksen alkaessa laajasti 1960-luvulla, lasilevyn läpi kuvaaminen yleistyi nopeasti [15]. Vesiliirtoa voidaan tutkia esimerkiksi kuva-analyysillä vesiliirtotilanteesta, jolloin saadaan ohjelmallisesti arvioitua kosketuspinta-ala [27]. Kyseinen tutkimus voidaan suorittaa ottamalla yksittäinen valokuva, mutta monesti vesiliirron syntymistä halutaan tutkia tarkemmin. Tällöin voidaan käyttää suurnopeusvideokameraa, jolla saadaan taltioitua vesiliirron dynaaminen luonne. Staattisen vesiliirtotilan lisäksi vesiliirron kehittyminen kertoo renkaan vedenpoistokyvystä ja siten sen tutkiminen on perusteltua. 18 Monesti kuvauksissa käytettävä lasilevy on pienikokoinen, vain hieman rengasta pidempi. Tällöin vesiliirto ei ehdi kehittyä ja siten esimerkiksi lasin kanssa kosketuksissa olevan kumin määrä voi vaihdella verrattuna staattisen vesiliirtotilan anturimittauksiin. Lisäksi lasi voi olla syvennyksessä, jotta haluttu vesipatjan korkeus saadaan aikaiseksi. Tällöin rengas siirtyy veden päälle putoamalla ja toisaalta toisella reunalla vesi törmää syvennyksen reunaan eikä poistu luonnollisesti kosketuksen edestä. Suurnopeuskuvauksissa on myös käytetty pidempiä lasipintoja, jolloin vesiliirtoon ei vaikuta vesialtaan reunat ja vesiliirtotilanne ehtii kehittyä ennen kuvausta [24]. Käytettävä mittausjärjestely voi riippua siis siitä, mitä osa-aluetta vesiliirrosta halutaan tutkia. Käytettävällä nesteellä on suuri vaikutus kuvien tulkinnassa. Vesiliirtotutkimuksissa käytettävät nesteet ovat yleensä viskositeetiltaan hyvin lähellä toisiaan ja siten viskositeetin vaikutus voidaan jättää huomioimatta, joskin se tulee tiedostaa nestettä valittaessa. Tärkeä huomio lasikuvauksissa on se, että nesteillä on erilaiset läpinäkyvyysominaisuudet. Kuvien tulkinnassa kahdella eri nesteellä voidaan saada esimerkiksi erilaiset kontaktipinta-alat riippuen siitä, kuinka ohut kerros nestettä on läpinäkyvää. Yleensä paljaalla vedellä on vaikea tehdä kuvauksia siten, että kuvista voidaan erottaa tarkasti kontaktin reunat tai veden virtaus urissa ja kontaktin ulkopuolella. Veden sekaan voidaan lisätä muun muassa fluoresoivaa väriainetta erottelukyvyn parantamiseksi [16]. 19 3 Mittaukset Mittaukset suoritettiin Nokian Renkaiden testiradalla Nokialla. Käytössä oli yhden renkaan vesiallas sekä suurnopeuskamerakuvauksiin tarkoitettu lasilevy. Kuva 10 esittää yhden renkaan vesiliirtoaltaan, jossa mittaukset suoritettiin. Mittaus aloitettiin kuvassa näkyvän tolpan (Trig 1) kohdalta, jonka jälkeen toiselle tolpalle (Trig 2) asti tien pinta oli kuivaa asfalttia. Toiselta tolpalta alkoi 8 mm syvyinen vesiallas. Vesiallas syveni täyteen syvyyteen noin 6 metrin matkalla. Kuivan asfaltin ja vesialtaan saumakohdassa oli epätasaisuutta, joka aiheutti mittausdataan selvää poikkeamaa. Tämä ei kuitenkaan näy esitetyissä tuloksissa, sillä laskentaan käytettiin altaan loppupäästä tulleita signaaleja. Tämä poisti myös altaan alkupään viisteen vaikutuksen vesiliirtotilanteeseen. Mittaus lopetettiin kolmannen tolpan (Trig 3) kohdalla. Kuva 10. Yhden renkaan vesiliirtoallas, liipaisukohdat, ja jaottelu kuivaan sekä märkään osuuteen. 3.1 Mittalaitteisto Mittauksissa käytettiin Aalto-yliopiston auto- ja työkonetekniikan laboratorion VW Golfia, joka on varustettu tarvittavin mittalaittein. Kyseistä autoa käytetään moniin eri mittaustarkoituksiin, joten laitteisto on monipuolinen ja muun muassa tarvittavat virtalähteet ovat hyvin saatavilla. Tiedonkeruulaitteisto koostuu pääasiassa National Instrumentsin CompactRIO -sarjasta. Mittalaitteisto oli hyvin suurelta osin jo testattu tämän tutkimuksen kaltaisissa mittauksissa, joten valmistelut koostuivat pääasiassa laitteiston parantelusta ja mittaohjelmien päivittämisestä. Aikaisemmat mittaukset sisälsivät kaksi kiihtyvyysanturia, joten 20 kolmannen anturin lisääminen vaati mittausohjelman päivittämisen ja johdotusten lisäämisen. Aiemmissa mittauksissa havaittiin myös, että antureiden johdotus ei kestänyt ja osa kiihtyvyysantureiden signaaleista hävisi kesken mittausten. Tätä tutkimusta varten johdotus uusittiin ja rengasta testattiin sekä testipenkissä, että auton alla ennen varsinaisia mittauksia. Mittausohjelmat sekä datankäsittelyohjelmat koostuivat pääasiassa National Instrumentsin LabVIEW:lla tehdyistä ohjelmista. Kuva 11 esittää mittauksissa käytetyn mittalaitteiston ja tiedonkeruun periaatteen. Analogiset signaalit Kiihtyvyysanturit Liukurengas Tiedonkeruu Nopeusanturi Tietokone CAN-väylä Kuva 11. Kaaviokuva mittalaitteistosta. 3.1.1 Anturointi Mittauksissa käytettävät anturit olivat pääosin jo valmiiksi valittu ja testattu samanlaisissa tutkimuksissa. Siten tässä työssä ei keskitytty anturien vertailuun ja valintaan. Kuva 12 esittää mittausauton ja siinä olevat mittalaitteet sekä suurnopeuskamerakuvauksessa käytetyn lasin, jonka alla kamera sijaitsee. 21 Kuva 12. Mittausauto mittalaitteineen suurnopeuskuvauslasilla. Kiihtyvyysanturisignaalit välitettiin renkaasta liukurenkaan kautta tiedonkeruulaitteille. Liukurenkaassa oli sisäänrakennettu enkooderi, jonka avulla saatiin myös renkaan pyörimisnopeus ja kulmatieto. Ajonopeuden määrittämiseen käytettiin Correvit S-350 Aqua -optista nopeusanturia. Anturi oli asennettu mittausauton keulaan, noin 20 cm etäisyydelle puskurista 30 cm korkeuteen. Kyseisen nopeusanturin on tutkittu toimivan myös vetisellä pinnalla ja sen käyttö vesiliirtomittauksissa on todettu luotettavaksi [28]. Mittausdatan jälkikäsittelyä varten käytettiin mittauksissa liipaisunappia, jolla voitiin tehdä liipaisu mittausdataan vesiliirtoaltaan eri kohdista. Liipaisuja tehtiin kolme, jolloin datasta voitiin erottaa kuivan asfaltin signaali ja vesialtaan signaali. Ensimmäinen liipaisu tehtiin noin 20 metriä ennen vesialtaan alkua, toinen liipaisu vesialtaan alkaessa ja kolmas liipaisu noin 24 metriä vesialtaan alkamisen jälkeen. Kuva 13 esittää mittausaltaan sekä liipaisukohdat Trig 1, Trig 2 ja Trig 3. 22 Trig 2 Trig 1 Trig 3 8 mm 20 m 24 m Kuva 13. Kiihtyvyysanturimittauksissa käytetty vesiallas ja mittausdatan jaotteluun käytetyt liipaisukohdat. 3.1.2 Kiihtyvyysanturit Renkaan ja tien kosketuksessa syntyy suuria kiihtyvyyksiä renkaan rungon ja pintakuvioinnin mukautuessa tienpinnan mukaisiksi kontaktissa. Suurilla ajonopeuksilla ajettaessa kiihtyvyys renkaan sisäpinnassa kontaktiin saavuttaessa ja siitä poistuttaessa voi olla monta sataa kertaa suurempi kuin gravitaatiokiihtyvyys g. Lisäksi tien epätasaisuudet voivat aiheuttaa suuria kiihtyvyyspiikkejä jo alhaisemmissakin nopeuksissa. Riittävän mittausalueen lisäksi antureiden valintaan vaikuttaa myös koko ja paino, sillä niiden inertia ei saisi vaikuttaa mittaustuloksiin sekä niiden tulisi mukautua renkaan sisäpinnan suuriin muodonmuutoksiin rikkoutumatta ja irtoamatta. Mittauksissa käytettävät kiihtyvyysanturit olivat Endevcon 35 A Isotron pietsosähköilmiöön perustuvia, IEPE -tyyppisiä (integrated electronic piezoelectric) kolmiaksiaalisia kiihtyvyysantureita. Ne siis sisältävät varausvahvistimen ja ulostulosignaalina saadaan jännite. Anturit tarvitsevat vahvistinta varten 4 mA:n syöttövirran, joka syötetään signaalijohtoja pitkin. Mittausalue on ±1000 g ja herkkyys n. 5 mV/g. Jokaiselle anturille valmistaja ilmoitti tarkan herkkyyden, jota käytettiin mittaohjelmien kalibroinnissa. Anturi on kooltaan 7,62 x 6,35 x 6,35 mm ja painaa vain 1,1 grammaa. Koska mittauksissa oli tarkoitus saada selville kontaktipinnan pituudet eri kohdissa renkaan leveyssuuntaa, asennettiin kiihtyvyysanturit rinnakkain renkaan sisäpintaan. Kuva 14 esittää anturit renkaan sisäpintaan liimattuina. Lisäksi kuvaan on merkitty anturien koordinaatisto eli pituussuunta x, leveyssuunta y ja pystysuunta z. Anturi 1 on leveyssuunnassa keskirivan kohdalla, anturi 2 on ohuemman välirivan kohdalla ja anturi 3 on ulkoreunan kuviopalan kohdalla. Pituussuunnassa anturit on sijoitettu samalla linjalle 23 siten, että ulommainen anturi 3 osuu kuviopalan kohdalle eikä palojen väliin. Asennusta varten valmistettiin jigi, jonka avulla anturit saatiin asennettua samansuuntaisesti oikealle etäisyydelle toisistaan. Kuva 14. Kiihtyvyysanturit liimattuna renkaan sisäpinnassa jigin osoittamissa kohdissa. Kiihtyvyysantureita renkaan sisäpinnalla on tutkimuksissa käytetty lähteissä [7] ja [8]. Näiden tutkimusten perusteella sijoituspaikka on havaittu luotettavaksi anturin kestävyyden kannalta. Lisäksi kulutuspinta, vyörakenne ja runkokumi vaimentavat korkeataajuuksisia tienpinnan värähtelyjä tehokkaasti, jolloin kiihtyvyyssignaali suodattuu jo mekaanisesti parempaan suuntaan vesiliirtoilmiön tutkimisen kannalta. Kiihtyvyysanturia on käytetty myös renkaan kulutuspinnan urissa melumittausten yhteydessä [8]. Kyseisissä mittauksissa keskityttiin melun syntymiseen kuivissa olosuhteissa, joten veden läsnäolo ei haitannut anturin sijoitusta. Vesiliirtomittauksissa rengas altistuu kiihtyvyysanturin ja sen johdotuksen kannalta vaikealle ympäristölle, joten renkaan sisäpinta on luotettavan mittauksen kannalta varmempi valinta. Mietittäessä mahdollisia tuotantoon tulevia mittarenkaita, on mittauselektroniikan sijoitus renkaan sisälle todennäköisempi vaihtoehto. Vaikka anturointi voitaisiin tehdä kumiin, sijoittuisi se kulutuspinnan alapuolelle sillä rengasta on pystyttävä kuluttamaan normaalin kulutuspinnan verran. 3.1.3 Tiedonkeruu Tiedonkeruu tapahtui National Instrumentsin CompactRIO -sarjaan kuuluvalla laitteistolla. Kiihtyvyysanturisignaalit luettiin kahdella NI 9234 merkkisellä, nelikanavaisella IEPE24 antureille tarkoitetulla tiedonkeruulaitteella [29]. Näytteenottotaajuutena käytettiin 25,6 kHz. Koska käytössä oli yhteensä kahdeksan kanavaa ja kolmella kolmiaksiaalisella anturilla signaaleita tuli yhteensä yhdeksän, jouduttiin yksi signaaleista jättämään mittauksista pois. Mittaamatta päätettiin jättää anturi 3:n poikittais- eli y-suuntainen signaali. Aiempien tutkimusten perusteella sivuttaissuuntainen signaali ei tarjoa tämän tutkimuksen kannalta niin oleellista tietoa kuin pitkittäis- ja pystysuuntainen signaali. Lisäksi y-suuntainen signaali saatiin kahdesta muusta anturista ja siten niitä voitiin käyttää tutkittaessa signaalien käyttökelpoisuutta laskentaa varten. Kontaktissa syntyneet kiihtyvyydet saadaan mitattua kerran yhden renkaan kierroksen aikana. Näytteenoton aikaväli säilyy vakiona, joten kontaktista saatujen tietojen päivitysnopeus kasvaa pyörimisnopeuden kasvaessa, kun taas mittapisteiden määrä kierrosta kohti vähenee ja näytteenottoväli pitenee. Kuva 15 esittää näytteidenottovälin nopeuden funktiona. Kuvaajasta voidaan huomata, että näytteenottovälin pituus renkaan kehällä on 100 km/h nopeudessa alle 1,1 mm. Siten voidaan arvioida, että suurillakin nopeuksilla näytteenottotaajuus on riittävä kontaktin pituutta arvioitaessa. Näytteidenottoväli 1,2 Etäisyys (mm) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 20 40 60 Nopeus (km/h) 80 100 Kuva 15. Kiihtyvyysantureiden näytteenottoväli nopeuden funktiona. Liukurenkaasta sekä liipaisunapista saatavat analogiset signaalit luettiin NI 9215 tiedonkeruulaitteella [30]. Tässäkin tapauksessa näytteenottotaajuus oli 25,6 kHz. Correvit- 25 nopeusanturin tiedonsiirto tapahtui CAN-väylää pitkin ja tiedot luettiin NI 9862 CANlukulaitteella. Näytteenottotaajuus nopeusanturitiedoille oli 250 Hz. 3.1.4 Mittausohjelma Mittausohjelma oli tehty National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmistolla. Sen käyttöä puolsi saman valmistajan tiedonkeruulaitteisto, jonka lukeminen kyseisellä ohjelmistolla oli helppoa. Ohjelma luki tiedonkeruulaitteistolla kerätyt anturitiedot sekä aikatiedon ja muodosti tdms-tiedostoja, jotka voitiin käsitellä mittausten jälkeen. Ohjelmalla voitiin myös varmistaa anturitietojen saanti mittausten välillä reaaliaikaisista kuvaajista. Koska nopeusanturin ja analogisten signaaleiden näytteenottotaajuudet olivat eri suuret, interpoloitiin nopeusanturin tiedot samanmittaisiksi matriiseiksi kuin analogiset signaalit. Näin mittausohjelman tallentamia tietoja voitiin jälkeenpäin käsitellä samalla aikaakselilla. 3.1.5 Suurnopeuskuvaus Suurnopeuskuvaus suoritettiin lasilevyn yli ajamalla. Lasin pinnalla oli 8 mm kerros nestettä ja suurnopeuskamera oli sijoitettu lasin alapuolelle. Yliajo videokuvattiin, jotta jälkikäteen voitiin tarkastella vesiliirtotilanteen syntymistä ja verrata kuvakaappauksia kiihtyvyysantureilla saatuihin kontaktin pituuksiin vesiliirtoaltaasta. Suurnopeuskuvaus ei siis tapahtunut samassa altaassa kiihtyvyysanturimittausten kanssa. On huomioitava, että suurnopeuskuvauksen ja kiihtyvyysanturimittauksen vesiliirtotilanteet erosivat toisistaan. Lasipinnan sileys verrattuna asfaltin pinnankarheuteen sekä lasin pieni koko aiheuttavat eroa veden käyttäytymiseen kontaktissa. Kuva 16. Suurnopeuskuvauksen periaatekuva. 26 Kuva 16 esittää mittauksissa käytetyn suurnopeuskameran sijoituksen. Kamera oli asennettu lasilevyn alla sijaitsevaan huoneeseen. 3.2 Mittaustiedon käsittely Mittausohjelmalla saadut mittatiedostot käsiteltiin jälkikäteen LabVIEW-pohjaisella ohjelmalla, jolla koko yksittäisen mittauksen sisältävä tiedosto saatiin jaoteltua kuivan asfaltin, sekä vesiliirtoaltaan osuuksiin. Tässä apuna toimivat liipaisukohdat Trig 1, Trig 2 ja Trig 3. Ohjelma teki erillisen tiedoston kuivan asfaltin osuudesta eli Trig 1 ja Trig 2 liipaisukohtien väliltä sekä vesiliirtoaltaan osuudesta eli Trig 2 ja Trig 3 väliseltä matkalta. Vesiliirtoaltaan osuutta kutsutaan jatkossa nimellä märkä osuus. Kuivan ja märän osuuden mittausdata jaettiin vielä yhden renkaan kierroksen mittaisiin osioihin. Liukurenkaalta saatava kulmatieto kasvaa yhden pyörähdyksen aikana nollasta asteesta 360 asteeseen, jonka jälkeen se tipahtaa takaisin nollaan asteeseen. Tämä nopea muutos voitiin etsiä derivoimalla kulmatietoa ja katkaisemalla data jokaisen kierroksen jälkeen suuren derivaatan arvon kohdalta. Koska kulmatieto sisältää jonkin verran kohinaa, linearisoitiin se ennen derivointia, jotta kohina ei aiheuttaisi ylimääräisiä katkaisuja. Näin saatiin siis kierroskohtainen mittausdata sekä kuivalle, että märälle osuudelle. 3.2.1 Kiihtyvyysanturisignaalin käsittely Kiihtyvyysanturisignaalissa oli havaittavissa paljon kohinaa, pyörivässä renkaassa vallitsevaa aaltoliikettä sekä tien epätasaisuudesta johtuvia värähtelytiloja. Lisäksi vesikosketuksessa syntyy paljon värähtelyä. Nämä värähtelytilat ovat nopeudesta riippuvaisia, joten niiden suodattamiseksi ei voitu käyttää jokaiselle mittaukselle yhtenäistä suodatinta. Kiihtyvyysanturisignaalin suodattamiseksi kokeiltiin erilaisia FIR- (finite impulse response) ja IIR-suodattimia (infinite impulse response) [31]. Kokeilujen perusteella käytettäväksi valittiin 8-asteinen Butterworth-alipäästösuodatin nollavaihesiirrolla. Koska kontaktin alkamiskohdat ja anturien väliset vaihe-erot haluttiin selvittää, oli vaiheen muuttuminen estettävä. Suodattimen alipäästötaajuus valittiin eri nopeuksille kokeellisesti sopivaksi. 5 km/h nopeudessa käytettiin kaistanpäästösuodatinta, koska hitaalla nopeudella kontaktissa syntynyt kiihtyvyysamplitudi jäi niin pieneksi, että renkaan hidastaajuuksinen aaltoliike täytyi suodattaa pois. 5 km/h nopeudelle käytettiin 27 ylipäästötaajuutena 2 Hz ja alipäästötaajuutena 16 Hz. Taulukko 1 esittää muilla nopeuksilla käytetyt alipäästötaajuudet. Taulukko 1. Käytetyt Butterworth-suodattimen alipäästötaajuudet nopeuden mukaan. Nopeus (km/h) Alipäästötaajuus (Hz) 20 40 60 70 80 90 100 100 100 200 250 250 350 400 Valituilla arvoilla signaalista saatiin erotettua kosketuskohdassa syntyvät kiihtyvyyspiikit siten, että niitä voitiin käyttää kontaktin pituuksien laskennassa. Suodatinta ja päästötaajuuksia kokeiltiin useilla eri arvoilla siten, että osittaisen vesiliirron tilanteessa saatiin selvästi kolme kontaktin kiihtyvyyshuippua näkyviin mutta korkeampitaajuuksiset värähtelyt suodatettua. Oikean alipäästötaajuuden havaittiin riippuvan eniten ajonopeudesta, eikä juurikaan rengaspaineesta. Tämä oli hyvä havainto mietittäessä esimerkiksi kiihtyvyysanturisignaalin käyttökelpoisuutta ajonvakautusjärjestelmien käyttöä varten. Kuva 17 esittää x- eli pitkittäissuuntaisen kiihtyvyysanturisignaalin osittaisessa vesiliirtotilanteessa. Kuvassa on esitetty myös suodatettu signaali, josta havaitaan kontaktin pituuden laskemisessa käytettävät kolme kiihtyvyyshuippua. Vesiliirtoa kuvaavassa kolmen alueen mallissa kontakti jaettiin kolmeen alueeseen; hydrodynaamiseen vesiliirtoon, viskoosiseen vesiliirtoon ja varsinaiseen tiekontaktiin. Kiihtyvyysanturimittauksista ei voitu näitä alueita havaita vaan käytettiin kahden alueen mallia. Ensimmäisten huippujen välisen alueen oletettiin kuvaavan hydrodynaamista vesiliirtoa ja kahden viimeisen huipun välisen alueen yhdistettyä viskoosisen vesiliirron ja märän tiekontaktin aluetta. Siten kokonaiskontaktin pituus jaettiin vesiliirron (punainen palkki) ja märän kontaktin alueeseen (vihreä palkki). 28 Kuva 17. Osittaisen vesiliirtotilanteen kiihtyvyysanturisignaali ja sen jaottelu hydrodynaamiseen vesiliirtoalueeseen (punainen palkki) sekä yhdistettyyn viskoosisen vesiliirron ja märän kontaktin alueeseen (vihreä palkki). Kuva 18 esittää täyden vesiliirtotilanteen, jolloin signaalista havaitaan vain kaksi huippua. Näiden huippujen välinen alue ilmaisee hydrodynaamisessa vesiliirrossa olevan kontaktin pituuden (punainen palkki). Kuva 18. Täyden vesiliirtotilanteen kiihtyvyysanturisignaali ja sen jaottelu hydrodynaamisen vesiliirron alueeseen (punainen palkki). 29 Kuivan asfaltin tilanteessa signaali oli yhteneväinen täyden vesiliirtotilanteen kanssa, mutta signaalissa esiintyi vähemmän värähtelyjä, jotka aiheutuvat vesikosketuksesta. Lisäksi kontaktin ajoitus renkaan pyörimiskulman suhteen vaihteli kuivan asfaltin ja vesiliirtotilanteen välillä. Kuivalla pinnalla saatiin siis kaksi huippua, joiden välinen alue ilmaisee kontaktin pituuden. 3.2.2 Kontaktin pituuden määritys Rengas-vesi- sekä rengas-tie–kontaktissa syntyvistä kiihtyvyysanturin x-, y- ja zsuuntaisista signaaleista kaikista voidaan arvioida kohta, jolloin kontakti edellä mainittujen parien välille syntyy. Täten jokaisesta signaalista voitaisiin arvioida myös kontaktin pituus. Laskennallisesti helpoimmaksi signaaliksi osoittautui edellä esitetty x-suuntainen signaali, josta suodattamalla saadaan esiin selvät huiput kontaktikohdissa. Näiden huippujen oletettiin ilmaisevan kohdat, joissa kiihtyvyysanturin paikka renkaasta osuu joko veteen tai tiehen. Siten kuivan pinnan ja täyden vesiliirron tapauksessa signaalista havaitaan kaksi selvää huippua; anturin saapuminen vesi- tai tiekontaktiin ja anturin poistuminen kontaktista. Osittaisen vesiliirron tapauksessa huippuja syntyy kolme; anturin saapuminen vesikontaktiin, anturin saapuminen tiekontaktiin sekä anturin poistuminen tiekontaktista. Kuva 19 esittää oletetun osittaisen vesiliirtotilanteen, jossa signaalista voidaan havaita kolme huippua. Ensimmäinen negatiivinen huippu osoittaa kohdan A, jossa kiihtyvyysanturi osuu veteen ja rengas ja sen sisäpinta muotoutuvat hydrodynaamisen paineen myötä. Välillä A-B vallitsee hydrodynaaminen vesiliirto, jolloin anturin kiihtyvyys lähenee nollaa, kunnes saavutaan kohtaan B, jossa rengas kohtaa tienpinnan ja anturin kiihtyvyys saavuttaa toisen negatiivisen huipun. Välillä B-C oletettiin renkaan olevan kontaktissa tien kanssa. Tällä välillä voi olla myös viskoosista vesiliirtoa, mutta kiihtyvyysanturimittauksissa sitä ei voitu havaita. Tuloksissa väliä B-C kutsutaan kontaktiksi, vaikka sen alueella pito olisikin huonompi esimerkiksi viskoosisen vesiliirron takia. Pidon voidaan olettaa olevan tällä alueella kuitenkin huomattavasti parempi kuin hydrodynaamisen vesiliirron alueella ja siten sen kutsuminen kontaktiksi näissä mittauksissa on perusteltua. Kohdassa C rengas irtoaa tienpinnasta ja aiheuttaa anturin kiihtyvyyteen kolmannen, tällä kertaa positiivisen huipun. 30 suodatettu signaali suodattamaton signaali v A B C Kuva 19. Kiihtyvyysanturisignaali ja sen huippujen jaottelu kontaktin eri vaiheiksi osittaisessa vesiliirtotilanteessa. Kuva 20 esittää periaatekaavion kontaktin pituuden laskennasta. Kun tiedettiin mittauspisteiden määrä sekä niiden välinen aika huippujen välisellä alueella, voitiin laskea nopeuden perusteella anturin kontaktissa viettämä matka. Kontaktin aika saatiin selville tiedonkeruulaitteiston sisäisestä kellosta. Nopeutena käytettiin renkaan pyörimisnopeutta, jolloin myös vesiliirrosta aiheutuva renkaan pyörintänopeuden hidastuminen saatiin huomioitua. Jotta pyörimisnopeutta voitiin käyttää, tuli se muuttaa renkaan kehällä tiekontaktissa olevan anturin nopeudeksi. Tämä nopeus arvioitiin kuivalla asfaltilla mitatun ajonopeuden ja renkaan pyörimisnopeuden suhteesta lasketulla kertoimella. Tällöin oli tehtävä oletus, että kuivalla pinnalla renkaassa ei esiinny luistoa. Koska oletettiin että pyörimisnopeuden ja ajonopeuden suhde on vakio kuivalla alustalla, voitiin kerrointa käyttää pyörimisnopeuden muuntamiseksi kehänopeudeksi vesiliirtoaltaassa. vältyttiin renkaan dynaamisen vierinsäteen arvioimiselta. 31 Näin Liukurengas / Nopeusanturi Renkaan pyörimisnopeus kuivalla asfaltilla Ajonopeus kuivalla asfaltilla Tiedonkeruulaitteisto Mittauspisteiden välinen aika kontaktissa x / Renkaan pyörimisnopeus vesiliirtoaltaassa Mittauspisteiden määrä kontaktissa Kontaktin aika Nopeuskerroin x x Kontaktin pituus Anturin nopeus Kuva 20. Kontaktin pituuden laskennan periaate. Kontaktin pituudet laskettiin viideltä renkaan pyörähtämältä kierrokselta saadun datan keskiarvona. Näin saatiin minimoitua yksittäisten kierrosten aikana mahdollisesti tapahtuneet vaihtelut mittausolosuhteissa. Kuivan osuuden kontaktin pituudet laskettiin ensimmäisen liipaisukohdan (Trig 1) jälkeisen viiden kierroksen keskiarvona. Märän osuuden kontaktin pituudet taas on laskettu viimeistä liipaisukohtaa (Trig 3) edeltävien viiden kierroksen keskiarvona. Tällä tavoin saatiin kuivan osuuden ja vesialtaan saumakohdassa olleen epätasaisuuden aiheuttamat poikkeamat mittaustuloksiin poistettua. Tämän epätasaisuuden vaikutusta signaaliin on kuitenkin erikseen tarkasteltu tuloksissa. Lisäksi vesialtaan alun viisto osuus jäi pois tuloksista ja siten vesiliirron voitiin olettaa olevan täysin kehittynyt. Tulokset märän osuuden osalta siis kuvaavat kehittynyttä vesiliirtotilannetta 8 mm vesipatjalla. 3.2.3 Kiihtyvyyshuippujen määrittäminen Kontaktin pituuden laskennassa käytetyt kiihtyvyyshuiput etsittiin ohjelmallisesti. Suodatettu signaali normalisoitiin, jolloin sen arvot olivat välillä nolla ja yksi. Näin saatiin eri nopeuksien erisuuruiset kiihtyvyydet vertailukelpoisiksi ja pystyttiin määrittelemään yhteneväiset raja-arvot huippujen tulkitsemiseen. Huipun määritys tapahtui siten, että suodatettu signaali derivoitiin ja derivoidusta signaalista etsittiin nollakohdat. Oikeiden huippujen löytämiseksi, derivoidusta signaalista etsittiin vain ne nollakohdat, jotka 32 alkuperäisessä signaalissa ylittivät määritellyn raja-arvon. Toisin sanoen tämä varmisti sen, että kyseessä oli riittävän suuri kiihtyvyyshuippu. Kuva 21 esittää suodatetusta signaalista ohjelmallisesti etsittyjen kiihtyvyyshuippujen määritystavan. Ensin etsittiin kontaktin tuloreunan aiheuttama kiihtyvyyshuippu. Osittaisessa vesiliirrossa vesikontaktin ja tiekontaktin tuloreunojen aiheuttamien kiihtyvyyshuippujen keskinäinen suhde vaihtelee nopeuden mukaan. Hitaammilla nopeuksilla vesikosketuksessa kiihtyvyys jää selvästi pienemmäksi kuin tiekosketuksen kohdalla, kun taas nopeammilla nopeuksilla tilanne kääntyy päinvastaiseksi. Siten ensimmäisen huipun kohdalle määritelty raja-arvo 1 määräsi pitkälti sen, miten aikaisessa vaiheessa vesikontakti ohjelmallisesti havaittiin. Liian pieni raja arvo toisaalta aiheuttaa kosketuksesta riippumattoman signaalin huipun havaitsemisen. Ensimmäisen huipun löytämisen jälkeen signaalia luettiin takaperin eli tunnistettiin kontaktin jättöreuna, joka oli positiivinen kiihtyvyyshuippu. Koska positiivisia huippuja on vain yksi, signaalista voitiin tunnistaa jättöreuna ilman derivointia etsimällä raja-arvon 2 ylittävä piste. Jättöreunan löytämisen jälkeen signaalia jatkettiin tutkimaan takaperin. Seuraava kiihtyvyyshuippu oli taas negatiivinen eli vesi- tai tiekontaktin tuloreuna. Tälle huipulle määrättiin raja-arvo 3, jonka ylittyessä derivoidusta signaalista etsittiin nollakohta. Mikäli löydetty huippu oli eri kuin ensimmäiseksi löydetty, voitiin päätellä sen olevan tiekontaktiin tuloreuna ja siten kontaktin olevan osittaisessa vesiliirrossa. Mikäli huippu oli sama kuin ensimmäiseksi löydetty, tiedettiin kontaktin olevan täydessä tiekontaktissa tai vesiliirrossa. Nopeuden ja signaalin luonteen mukaan voitiin päätellä onko kyseessä vesiliirto vai kuiva kontakti. On huomioitava, että derivoidusta signaalista ei löydy absoluuttista nollakohtaa, vaan se on äärellisessä määrässä mittapisteitä vain hyvin lähellä sitä. Derivaatalle joudutaan siis määräämään tietyt raja-arvot, joiden sisällä sen on oltava, jotta piste määritellään huipuksi. Nämä raja-arvot aiheuttavat pientä poikkeamaa varsinaisesta huippukohdasta, mutta mittatarkkuuden nimissä poikkeaman voidaan sanoa olevan mitättömän pieni. 33 Kuva 21. Kiihtyvyyshuippujen määritys suodatetusta signaalista. Tässä tutkimuksessa raja-arvot voitiin määrätä kokeilemalla niiden vaikutusta lopputulokseen. Kehitettäessä algoritmeja esimerkiksi ajonvakautusjärjestelmien käyttöön, tulee huomioida paljon muuttuvia tekijöitä. Vaikka normalisoimalla signaali kaksi huippua saadaan selvästi esille, kolmannen huipun löytyminen on suuresti kiinni määritellyistä rajaarvoista. Näiden arvojen määritys oikeiksi on tämänkaltaisen ohjelmallisen tunnistuksen suurimpia haasteita. 34 4 Tulokset ja analysointi Kuva 22 esittää tuloksien esittelyssä käytettävän kontaktipituus-kuvaajan. Kuvasta käy ilmi eri antureiden kontaktin pituudet, niiden väliset vaihe-erot sekä paikat renkaassa. Kontaktin pituudet on jaoteltu vesiliirtoalueeseen (punainen palkki) ja kontaktialueeseen (vihreä palkki). Kuvaan on merkitty myös antureiden vesi- sekä tiekontaktin tuloreuna sekä tiekontaktin jättöreuna. Origo sijaitsee anturin 1 eli renkaan keskirivan kohdalla olevan anturin jättöreunalla. Vaihe-ero Kontakti Vesiliirto 3 2 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Kontaktin pituus (cm) Tiekontaktin jättöreuna Tiekontaktin tuloreuna Vesikontaktin tuloreuna Kuva 22. Kontaktipituuksien jaottelu vesiliirto- ja kontaktialueeseen sekä antureiden väliset vaihe-erot. 4.1 Kontaktin pituudet Kuva 23 esittää kontaktin pituudet kuivalla asfaltilla 5 km/h nopeudessa. Näitä pituuksia voidaan käyttää lähes staattisena tilanteena vertailtaessa suurempien nopeuksien ja vesiliirtotilanteiden kontaktin pituuksia. Voidaan olettaa, että kontaktin pituus 5 km/h nopeudessa on lähes sama kuin auton paikallaan ollessa. Kuvaajasta nähdään, että kontaktin pituus antureiden välillä säilyy lähes samana samalla paineella. Anturilla 2 on selvä, noin 1 cm mittainen vaihe-ero eli se osuu kontaktiin ja lähtee siitä aiemmin kuin anturit 1 ja 3. Kontaktin pituus 1,8 bar paineella on noin 12 cm, 2,2 bar paineella noin 11 cm ja 2,6 bar paineella noin 10 cm. 35 Kuva 23. Kontaktin pituus kuivalla alustalla 5 km/h nopeudella kolmella eri rengaspaineella. Vaihe-ero antureiden välillä voi johtua hitaasta nopeudesta, jolloin signaalin huiput ovat pyöreämpiä ja siten niiden paikoitus epätarkkaa verrattuna suurempien nopeuksien tilanteeseen. Tällä voidaan olettaa olevan kuitenkin todella pieni vaikutus, sillä ilmiö esiintyy samankaltaisena usealla eri kierroksella. Vaihe-erosta voisi päätellä, että anturin 2 paikoitus ei ole samassa linjassa kahden muun anturin kanssa, mutta tämä varmistettiin asentamalla anturit jigin avulla ja siten 1 cm ero ei ole paikoitusvirheen takia mahdollinen. Yksi mahdollinen selitys vaihe-erolle on renkaan kulutuspinnan muodot. Eri rivat voivat osua kontaktiin eri aikaan tai niiden painuminen aiheuttaa muodonmuutoksen rungon sisäpinnalle viiveellä. Vaikka runko koostuu jäykästä vyörakenteesta, voidaan renkaan sisäpinnalta erottaa kulutuspinnan muodot. Esimerkiksi ripojen kohdat ovat havaittavissa renkaan sisäpinnalla hieman kohoavina verrattuna urien kohtiin, jotka ovat syvemmällä. Siten on mahdollista, että ohuimman rivan kosketus tiehen välittyy rungon kautta renkaan sisäpinnalle nopeammin kuin paksumman ja jäykemmän rivan. Anturi 2 sijaitsee juuri ohuimman rivan kohdalla. Kuva 24 esittää kontaktin pituudet vesiliirtoaltaassa eri rengaspaineilla ja nopeuksilla. 40 km/h nopeudessa ei voida havaita vesikosketusta, vaan signaaliin muodostui ainoastaan kaksi huippua. 5 km/h nopeuteen kuivalla alustalla verrattuna, anturien väliset vaihe-erot ja pituudet ovat muuttuneet. Tuloreunalla on havaittavissa edelleen, että anturi 2 osuu kontaktiin ennen kuin anturit 1 ja 3 mutta jättöreunalla havaitaan, että anturi 3 lähtee kontaktista ensin. Anturin 3 kontaktin pituus on pienin, kun taas anturin 1 ja 2 kontaktin pituus on lähes sama mutta niiden välillä on noin 1 cm vaihe-ero. 36 1,8 bar 40 km/h Nopeus Rengaspaine 2,2 bar 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 22 2 4 6 8 60 km/h 16 18 20 22 0 2 2 2 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 2 2 1 1 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 3 2 2 2 1 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 3 2 2 2 1 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 3 2 2 2 1 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 20 22 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 16 18 20 22 Kontaktin pituus (cm) 3 2 6 Kontaktin pituus (cm) 3 0 18 1 0 Kontaktin pituus (cm) 1 16 Kontaktin pituus (cm) 3 2 4 Kontaktin pituus (cm) 3 0 14 1 0 Kontaktin pituus (cm) 1 12 Kontaktin pituus (cm) 3 2 2 Kontaktin pituus (cm) 3 0 10 1 0 Kontaktin pituus (cm) 1 8 Kontaktin pituus (cm) 3 4 6 Kontaktin pituus (cm) 3 2 4 1 0 3 0 2 Kontaktin pituus (cm) 3 Kontaktin pituus (cm) 70 km/h 14 3 0 80 km/h 12 3 1 90 km/h 10 Kontaktin pituus (cm) Kontaktin pituus (cm) 100 km/h 2,6 bar 1 0 2 4 6 8 Kontaktin pituus (cm) 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 Kontaktin pituus (cm) 6 8 10 12 14 Kontaktin pituus (cm) Vaihe-ero Kontakti Vesiliirto Kuva 24. Kiihtyvyysanturidatasta lasketut kontaktin pituudet eri nopeuksilla ja rengaspaineilla märällä pinnalla. 3 2 60 km/h nopeudessa kontaktin pituudet jokaisessa anturissa lyhenevät ja nyt signaalista 1 voitiin havaita myös vesikosketus. Vesiliirron osuus kontaktin pituudesta on yhtä suuri 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Kontaktin pituus (cm) kuin tiekontaktin ja kokonaispituus Jättöreuna on melkein kaksinkertainen kuivan pinnan tapaukseen Tuloreuna nähden. Varsinaisen tiekontaktin muoto on samankaltainen kuin 40 km/h nopeudella, eli anturi 2 osuu tiekontaktiin selvästi ensimmäisenä. Myös tuloreuna vesikontaktiin seuraa 37 samaa muotoa, joskin vaihe-erot antureiden välillä hieman tasoittuvat. Kontaktin muodot eri rengaspaineiden välillä ovat samankaltaiset mutta kontaktin pituudet lyhenevät paineen kasvun myötä. Osittainen vesiliirto voidaan siis havaita kontaktin pituuksien perusteella näissä mittauksissa 60 km/h nopeudessa. Mielenkiintoista on se, kuinka paljon vesikontakti pidentää mitattua kokonaiskontaktin pituutta. Sen avulla vesiliirron alkaminen voidaan havaita hyvissä ajoin ennen varsinaisen tiekontaktin vaarallista lyhenemistä. 80 km/h nopeudessa kaikilla rengaspaineilla havaitaan vielä tiekontakti vaikkakin vesiliirron osuus on selvästi suurempi. Kontaktin pituudet antureiden välillä tasaantuvat nopeuden kasvaessa ja 80 km/h nopeudessa kontaktin muoto on muuttunut siten, ettei anturi 2 tule enää ensimmäisenä tiekontaktiin. Nyt tiekontaktiin tuleva reuna muodostaa samanlaisen viiston muodon kuin jättöreuna eli hydrodynaaminen paine alkaa nostaa kontaktin keskialuetta. Keskirivassa olevan anturin 1 tiekontaktiin tulo siirtyy myöhäisemmäksi, kuten käy myös viereiselle anturille 2. Kontaktin reunassa sijaitseva anturi 3 tulee tiekontaktiin nyt ensimmäisenä. Vesikontaktiin tuleva reuna sen sijaan on edelleen samanmuotoinen, eli anturi 2 osuu veteen ensimmäisenä. 90 km/h nopeudessa 1,8 bar paineella signaalissa havaittiin enää kaksi huippua, mikä osoittaa renkaan olevan täydessä vesiliirrossa. Vesikontaktin pituus on selvästi lyhyempi kuin kokonaiskontaktin pituus osittaisessa vesiliirrossa ja tuloreunalla anturi 3 tulee kosketukseen veden kanssa ensimmäisenä. 2,2 ja 2,6 bar paineella rengas ei ole vielä täydessä vesiliirrossa vaan lyhyt tiekontakti on havaittavissa. 100 km/h nopeudessa rengas on täydessä vesiliirrossa kaikille paineilla. Tuloreunalla antureiden väliset vaihe-erot ovat aavistuksen pienemmät suurimmalla rengaspaineella. Myös vesikontaktin pituus kokonaisuudessaan on pidempi kuin pienemmillä paineilla. Kiihtyvyysantureilla mitatuista kontaktin pituuksista voidaan havaita seuraavia ilmiöitä. Kontaktin pituudet ovat 80 km/h nopeuteen saakka sitä pidempiä mitä pienempi on käytetty rengaspaine. Pienempi paine kasvattaa renkaan kontaktialaa ja siten kontaktin pituutta. Vaikka alhainen rengaspaine aiheuttaa vesiliirron syntymisen alhaisemmissa nopeuksissa kuin suuremman paineen tapauksessa, on varsinaisen tiekontaktin pituus suurempi ennen vesiliirtonopeutta. Kiihtyvyysanturilla mitattujen tietojen pohjalta 38 voitaisiin olettaa, että pitoa on enemmän käytettävissä pienempipaineisella renkaalla sen vesiliirtonopeutta selvästi pienemmillä nopeuksilla. Rengaspaineiden väliset kontaktipituuksien erot tasoittuvat kuitenkin suurempiin nopeuksiin siirryttäessä. 40 km/h nopeudessa 1,8 ja 2,6 bar paineilla kontaktipituuksien ero on noin 4 cm, kun taas 80 km/h nopeudessa kontaktipituuksien ero on vain noin 1 cm. Nopeuden noustessa ja hydrodynaamisen paineen kasvaessa tiekontaktin pituus lyhenee, kuten lyhenee myös kokonaiskontaktin pituus. Tämä osoittaa, että kontaktin etuosa osuu veteen sitä myöhemmin mitä nopeampi nopeus on. Hitaammilla nopeuksilla kontakti osuu aikaisin renkaan eteen pakkautuneeseen vesimassaan. Mitä suuremmaksi nopeus kasvaa sen enemmän kontaktin etuosa pyrkii nousemaan vesipatjan pinnalle ja myöhäisemmäksi vesikosketus siirtyy. Kuva 25 esittää kiihtyvyysanturimittauksista saadut kontaktin pituudet ilman vaihe-eroja eri rengaspaineilla ja nopeuksilla. Kontaktin pituudet ovat varsinaisen tiekontaktin pituuksia eli niissä vesiliirron osuus kokonaiskontaktin pituudesta on jätetty pois. Pituudet on esitetty vesiliirtoaltaan eli märän pinnan sekä kuivan pinnan osalta. 39 1,8 bar: kuiva 14 12 12 Kontaktin pituus (cm) Kontaktin pituus (cm) 1,8 bar: märkä 14 10 8 Anturi 1 6 Täysi vesiliirto 4 Anturi 2 Anturi 3 2 10 8 Anturi 1 6 Anturi 2 4 Anturi 3 2 0 0 40 60 70 80 90 40 100 60 14 14 12 12 Kontaktin pituus (cm) Kontaktin pituus (cm) 80 90 100 2,2 bar: kuiva 2,2 bar: märkä 10 8 Anturi 1 6 Täysi vesiliirto 4 Anturi 2 Anturi 3 2 10 8 Anturi 1 6 Anturi 2 4 Anturi 3 2 0 0 40 60 70 80 90 40 100 60 2,6 bar: märkä 80 90 100 2,6 bar: kuiva 14 12 12 Kontaktin pituus (cm) 14 10 8 Anturi 1 6 70 Nopeus (km/h) Nopeus (km/h) Kontaktin pituus (cm) 70 Nopeus (km/h) Nopeus (km/h) Täysi vesiliirto 4 Anturi 2 Anturi 3 2 0 10 8 Anturi 1 6 Anturi 2 4 Anturi 3 2 0 40 60 70 80 90 100 40 Nopeus (km/h) 60 70 80 90 100 Nopeus (km/h) Kuva 25. Tiekontaktin pituudet ilman vaihe-eroja kuivalla ja märällä pinnalla eri nopeuksilla sekä rengaspaineilla. Kuivalla pinnalla kontaktin pituudet ovat eri nopeuksilla lähes yhtä pitkiä. Eli havaittavaa kontaktipituuden muutosta pyörimisnopeuden mukaan ei ole nähtävissä. 2,2 ja 2,6 bar paineella 40 km/h nopeudessa nähdään kuitenkin anturin 1 ja 2 kontaktin pituuksien olevan hieman muita nopeuksia lyhyempiä. Lisäksi 2,2 ja 2,6 bar paineella 80 km/h nopeudessa havaitaan kontaktin pituuksien olevan lyhyempiä kuin sitä matalammilla tai korkeammilla nopeuksilla. Tämä voi johtua yksittäisistä mittauspoikkeamista, sillä esimerkiksi nopeudesta aiheutuva renkaan dynaamisen vierinsäteen kasvu aiheuttaisi kontaktin pituuden lyhenemisen myös nopeammilla nopeuksilla. Märällä pinnalla kontaktin pituudet lyhenevät nopeuden kasvaessa. Mitä pienempi paine on kyseessä, sitä pidempi on kontaktin pituus hitailla nopeuksilla. Pituudet tasoittuvat kuitenkin 80 km/h nopeudessa. 1,8 bar paineella rengas on täydessä vesiliirrossa 90 ja 100 km/h nopeuksilla, joten kuvaaja 40 on tyhjä siltä osin. 2,2 ja 2,6 bar paineilla rengas on täydessä vesiliirrossa 100 km/h nopeudella. Antureiden väliset kontaktin pituuserot pyrkivät myös tasoittumaan lähellä vesiliirtonopeutta. Mielenkiintoinen havainto on se, että ohuimmassa rivassa sijaitsevan anturin 2 kontaktin pituusero leveämmässä rivassa olevaan anturiin 1 nähden kasvaa nopeuden kasvaessa, kunnes ollaan 80 km/h nopeudessa, jolloin antureiden väliset erot ovat tasoittuneet. Tämä voi tarkoittaa sitä, että kiihtyvyysanturilla voidaan havaita ripojen väliset erot vesikontaktissa. Ohuempi ripa on noin 25 prosenttia kapeampi kuin leveä ripa, jossa anturi 1 sijaitsee. 2,2 bar paineella 70 km/h nopeudessa anturin 1 ja 2 välinen kontaktin pituusero on lähes 20 prosenttia. Antureilla voidaan mahdollisesti siis havaita hydrodynaamisen paineen vaikutus erikokoisiin pinta-aloihin kontaktipinnalla. Samassa nopeudessa vesi aiheuttaa suuremman nosteen leveämpään ripaan ja siten lyhentää tiekontaktia enemmän kuin ohuemman rivan kohdalla. Keskimmäisen rivan kontaktiin vaikuttaa myös veden poistuminen kontaktista, mikä on heikompaa keskellä kontaktia kuin kontaktin reunaalueella. Tarkasteltaessa anturin 3 kontaktipituuden muutosta ajonopeuden suhteen, havaitaan hydrodynaamisen paineen kehittyminen kontaktin keskiosassa renkaan leveyssuunnassa. Vesiliirron vaikutus reunapalojen kohdalla olevan anturin 3 kontaktin pituuksiin ei ole niin suuri, kuin ripojen kohdalla olevien antureiden. Antureiden 1 ja 2 kontaktin pituudet pyrkivät tasoittumaan anturin 3 kontaktipituuden tasolle lähestyttäessä vesiliirtonopeutta. Hydrodynaaminen paine kehittyy kontaktin keskellä siten, että se nostaa kulutuspinnan keskiosaa veden päälle. Kontaktin pituus reunalla muuttuu vähemmän, sillä reuna-aluetta jäykistää renkaan runko. Kuivan alustan tuloksista nähdään rengaspaineen vaikutus kontaktipinnan muotoon. Reunalla sijaitsevan anturin 3 kontaktipituus lyhenee suhteessa muihin antureihin sitä enemmän, mitä suurempi rengaspaine on kyseessä. Rengaspaineen nosto pienentää kontaktipinta-alaa ja muuttaa samalla sen muotoa siten, että reuna-alueen kontakti pienenee suhteessa enemmän kuin keskiosan. Märän alustan tilanteessa kuvaajasta voidaan todeta myös aiemmin havaittu asia, eli ennen 80 km/h nopeutta kontaktin pituudet ovat sitä pidemmät, mitä pienempi paine on kyseessä. 41 Pidon voisi siis päätellä mittauksen perusteella olevan parempi pienemmällä paineella alle 80 km/h nopeuksissa. 1,8 bar paineella havaitaan selvästi kontaktin pituuksien eksponentiaalinen lyheneminen, eli nopeuden vaikutus nosteeseen toisessa potenssissa. Suuremmilla paineilla mittausnopeuksia täytyisi olla useampia, jotta ilmiö saataisiin näkyville. 2,2 ja 2,6 bar paineella kontaktin pituudet kun ovat 40 ja 60 km/h nopeuksissa vielä yhtä pitkät ja vesiliirto alkaa vaikuttaa selvästi pituuksiin vasta 70 km/h nopeudessa. Kuva 26 esittää edellä käsiteltyjen tiekontaktin pituuksien keskihajonnan viiden renkaan kierroksen osalta. Hajonta suurenee nopeuden kasvaessa kuivan alustan tilanteessa, kun taas märän alustan tapauksessa keskihajonnassa ei havaita selvää trendiä. 90 ja 100 km/h nopeuksilla rengas on täydessä vesiliirrossa, joten kontaktin pituutta ja siten keskihajontaa ei ole. Kuivalla alustalla nopeuden mukaan kasvava keskihajonta on seurausta näytteenottovälin pitenemisestä. Mitä suuremmaksi näytteenottoväli kasvaa nopeuden kasvaessa, sitä enemmän vaihtelua syntyy mitattuihin kontaktin pituuksiin viiden renkaan kierroksen välillä. 1,8 bar: kuiva Kontaktin pituuden keskihajonta (cm) Kontaktin pituuden keskihajonta (cm) 1,8 bar: märkä 0,6 0,5 0,4 Anturi 1 0,3 Anturi 2 0,2 Anturi 3 0,1 0 40 60 70 80 90 100 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Anturi 1 0,4 Anturi 2 0,3 Anturi 3 0,2 0,1 0 40 Nopeus (km/h) 60 70 80 90 100 Nopeus (km/h) Kuva 26. Kontaktin pituuksien keskihajonta viideltä renkaan kierrokselta eri nopeuksilla 1,8 bar paineella. Kuva 27 esittää mitatut tiekontaktin pituudet antureille 1 ja 3 nopeuden funktiona eri paineilla. Viimeinen piste, eli vesiliirtonopeus määriteltiin siten, että vesiliirtoaltaaseen ajettiin hieman arvioitua vesiliirtonopeutta hiljaisemmalla nopeudella. Altaassa kaasupoljin painettiin pohjaan, kunnes moottorin kierrosluku ja siten renkaan luistoprosentti nousi nopeasti. Nopeus, jossa renkaan pyörimisnopeudessa tapahtui suurin muutos, valittiin 42 vesiliirtonopeudeksi. Tämä mittaus suoritettiin samassa vesialtaassa kiihtyvyysanturimittausten kanssa. 14 1,8 bar, anturi 1 2,2 bar, anturi 1 12 2,6 bar, anturi 1 1,8 bar, anturi 3 10 Kontaktin pituus (cm) 2,2 bar, anturi 3 2,6 bar, anturi 3 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Nopeus (km/h) Kuva 27. Kontaktin pituus nopeuden funktiona eri rengaspaineilla märällä alustalla. Aiemmin esitetyt kontaktin pituudet ilmoitettiin tasanopeuksilla 5, 40, 60, 70, 80, 90 ja 100 km/h. Nämä nopeudet ovat auton mittarista katsottuja nopeuksia vesiliirtoaltaaseen ajettaessa. Kuvaajassa olevat mittapisteet on ilmoitettu nopeusanturilla mitatuissa nopeuksissa. Nämä nopeudet ovat siis kiihtyvyysanturimittauksissa esiintyneet todelliset nopeudet ja tasalukemia käytetään vain selventämään tulosten esitystä. Tämän vuoksi esimerkiksi 1,8 bar paineella yllä olevassa kuvaajassa vesiliirtonopeus on alle 80 km/h, kun taas aiemmin esitetyissä tuloksissa kontakti havaittiin vielä kyseisessä nopeudessa. Auton mittarilukema siis ilmoittaa suuremman nopeuden kuin oikeasti on kyseessä. Kuvaajasta voidaan havaita selvä trendi antureiden välisten kontaktin pituuserojen kasvussa paineen suhteen. Pienimmällä paineella antureiden välinen pituusero on suurimmillaan vajaan 40 km/h nopeudella. 2,2 bar paineella suurin pituusero havaitaan hieman alle 50 km/h nopeudessa. Korkeimmalla paineella anturien kontaktipituusero on noussut noin 55 km/h. Näiden nopeuksien jälkeen antureiden kontaktin pituudet lähenevät toisiaan kunnes ne ovat yhtä pitkiä. Tämän jälkeen seuraa täydellinen vesiliirto, eli kontaktin pituudet putoavat nollaan. Kontaktin pituudet lähenevät loppuvaiheessa toisiaan 43 siten, että reunalla olevan anturin 3 kontaktin lyheneminen hidastuu, kun taas keskirivan kohdalla sijaitsevan anturin 1 kontaktin lyheneminen nopeutuu. Tämän aiheuttaa jo aiemmin havaittu hydrodynaamisen paineen kehittyminen kontaktin keskiosassa. Lähestyvän vesiliirron voi siis havaita kontaktin eri kohtien pituuseroja tarkkailemalla. Kontaktin pituudet eri kohdissa kontaktia pyrkivät tasoittumaan lähestyttäessä vesiliirtonopeutta. Pituuserojen suuruudet ovat sitä pienempiä, mitä suurempi on käytetty rengaspaine. Hetki jolloin antureiden välinen kontaktin pituusero on suurimmillaan, siirtyy suuremmille nopeuksille korkeammilla rengaspaineilla. Kontaktin pituuserojen tarkkaileminen voi olla yksi mahdollisista tavoista havaita vesiliirto esimerkiksi turvallisuusjärjestelmissä. Kyseistä tapaa ei ole tämän tutkimuksen ohessa tehdyn selvitystyön perusteella tiettävästi käytetty missään aiemmin. Lähestyvän vesiliirron voi havaita myös pelkästään kontaktin pituutta tarkkailemalla. Kontaktin keskikohdan eli anturin 1 kontaktin pituuksista huomataan, että 1,8 bar paineella kontaktipituuden lyheneminen tapahtuu eksponentiaalisesti. Kun painetta kasvatetaan, muuttuu kontaktipituuden lyheneminen lineaariseksi, kunnes lähestytään vesiliirtonopeutta jolloin kontaktin pituus romahtaa. Paineen vaihtelu siis muuttaa kontaktipituuden muutosta radikaalisti ja yleispätevän algoritmin kehittäminen kontaktipituuden muutoksen arvioinnille voi olla hankalaa. Kuvaajan perusteella kontaktipituuden nopea romahtaminen tapahtuu silloin, kun kontaktin pituus on pudonnut noin puoleen hitaimman nopeuden tapauksesta. Tämä voi toimia indikaattorina vesiliirtonopeuden lähestymisestä. 4.2 Kiihtyvyysanturisignaali renkaan kulman funktiona Kuva 28 esittää kiihtyvyysanturin 1 signaalit viideltä renkaan kierrokselta. Signaalit on esitetty renkaan pyörähdyskulman funktiona. Kulmatieto on jaoteltu siten, että kun kulma on nolla, anturi on renkaan keskilinjalla ylälaidassa. Kun kulma on 180 astetta, anturi on renkaan keskilinjalla tiekontaktissa. 180 asteen kulma vastaa siis anturin sijaintia kontaktin puolivälissä kontaktin ollessa symmetrinen. Kuvaajassa on esitettynä myös yksi suodatettu signaali, jonka perusteella kontaktin pituus on laskettu. Suodatettuun signaaliin on merkitty huippukohdat, jotka ohjelmallisesti havaittiin kontaktia määriteltäessä. Nämä kohdat siis ilmoittavat anturin saapumisen tiekontaktiin ja kontaktista poistumisen. 44 Signaaleista voidaan havaita nopeuden kasvaessa pitenevä mittapisteiden väli. Pienemmillä nopeuksilla signaalissa esiintyy korkeataajuuksisempaa signaalin vaihtelua, kun taas nopeammilla nopeuksilla mittapisteiden väli kasvaa ja vaihtelu muuttuu matalataajuuksisemmaksi. Kuvaajasta nähdään myös kiihtyvyysamplitudien kasvu nopeuden kasvaessa. 40 km/h nopeudella anturi saavuttaa noin 30 g kiihtyvyyden, kun taas 100 km/h nopeudella kiihtyvyys on jopa 150 g. Kuva 28. Kiihtyvyysanturisignaali kuivalla alustalla eri nopeuksilla renkaan kulman funktiona 1,8 bar paineella. Y-akselin skaalaus on eri nopeuksien kuvaajilla erilainen. Vaikka kontaktin pituus säilyy eri nopeuksilla lähes samana, siirtyy kontakti suuremmille pyörähdyskulmille nopeuden kasvaessa. Anturi siis sekä saapuu kontaktiin, että lähtee kontaktista myöhemmin. 40 km/h nopeudessa kontakti jakautuu lähes tasan renkaan keskilinjan suhteen. 100 km/h nopeudessa kontaktiin saapuminen siirtyy noin 3 astetta myöhemmäksi. Tämä on mielenkiintoinen havainto, sillä toisissa tutkimuksissa on sekä mallintamalla [32], että kokeellisesti [7] havaittu kontaktin siirtyminen aikaisemmaksi nopeuden kasvaessa. Kontaktin myöhästymisen voi selittää osittain renkaan kiertymällä. 45 Kontaktipinta voi sijaita vanteeseen nähden eri kohdassa eri nopeuksilla. Siten anturin suhteellinen paikka vanteeseen nähden muuttuu. Renkaan kulmatieto liukurenkaalta ilmoittaa juuri vanteen kulman ja siten renkaan kiertymää ei siinä pystytä ottamaan huomioon. Kuva 29 esittää kiihtyvyysanturisignaalit kuten edellä, mutta nyt märällä alustalla. 60 km/h nopeudesta ylöspäin kuvaajaan on merkitty kaksi kontaktiin saapumista. Ensimmäinen kiihtyvyyshuippu syntyy anturin saapuessa vesikontaktiin ja toinen huippu syntyy anturin saapuessa tiekontaktiin. Kolmas huippu on kontaktista poistuminen. 40 km/h nopeudessa kyetään havaitsemaan ohjelmallisesti vain tiekontaktiin saapuminen. Kiihtyvyysanturisignaalista kuitenkin voidaan havaita selvä vesikontaktin aiheuttama värähtelytila noin 150 asteen kohdalla. Käytetty suodatus hävittää tämän tiedon, sillä kyseessä on signaalin värähtely nolla-akselin ympärillä eikä selvä negatiivinen tai positiivinen huippu. Käyttämällä esimerkiksi amplitudin muutosta tunnistuskeinona, vesikontakti voitaisiin havaita jo alhaisilla nopeuksilla. Toisaalta hydrodynaaminen paine aiheuttaa samankaltaisen muutoksen kiihtyvyyteen kuten tiekontaktiin saapuminen ja siten voidaan olettaa, ettei 40 km/h nopeudessa vesi vielä aiheuta selvää nostetta kontaktin etuosaan. 60 km/h nopeudessa hydrodynaaminen paine voitiin havaita jo ohjelmallisesti. Käytetty suodatus on siis tehokas erottelemaan hydrodynaamisen paineen kasvun, eikä siihen vaikuta vesikontaktin aiheuttamat värähtelytilat. Mikäli veden olemassaolo halutaan havaita, voidaan käytetyn suodattimen lisäksi käyttää esimerkiksi edellä mainittua amplitudin muutoksen seurantaa. 46 Kuva 29. Kiihtyvyysanturisignaali märällä alustalla eri nopeuksilla renkaan kulman funktiona 1,8 bar paineella. 40 km/h nopeudessa tiekontakti on jakautunut tasaisesti renkaan keskilinjan molemmin puolin kuten kuivan alustan tapauksessa. Tämä on myös osoitus siitä, ettei vesi vielä muodosta nostetta kontaktin etuosaan. 60 km/h nopeudessa vesikontakti on havaittavissa suodatetusta signaalistakin ja tiekontaktin tuloreuna on selvästi lähempänä renkaan keskilinjaa kuin jättöreuna. Vesi siis aiheuttaa jo nosteen kontaktin etuosaan ja anturi saapuu tiekontaktiin selvästi myöhemmin. Kontaktista poistuminen tapahtuu myös hieman myöhemmin kuin 40 km/h nopeudessa mutta ero on samaa luokkaa kuin kuivalla alustalla. 80 km/h nopeudessa vesikontakti on selvästi havaittavissa ja vesi- sekä tiekontaktiin saavuttaessa suodatetut kiihtyvyyshuiput ovat lähes yhtä suuria. Alhaisemmissa nopeuksissa vesikontakti aiheuttaa suhteessa tiekontaktiin heikompia kiihtyvyyksiä. Tiekontaktia ei siitä syystä voi erottaa niin helposti varsinaisesta signaalista mutta suodatettu signaali näyttää selvästi kaksi negatiivista huippua. Tiekontaktin tuloreuna on siirtynyt renkaan keskilinjan takapuolelle kun taas jättöreuna on havaittavissa lähes samalla 47 kulmalla kuin kuivalla alustalla. 100 km/h nopeudessa havaitaan enää vesikontakti eli rengas on täydessä vesiliirrossa. Kiihtyvyyssignaalissa on havaittavissa selvää vedestä aiheutuvaa värähtelyä koko kontaktin alueella. Alhaisemmissa nopeuksissa osittaisen tiekontaktin alueella signaali tasoittuu kun anturi mukautuu renkaan kanssa tienpintaa vasten. Vesikontaktin värähtely syntyy veden virratessa voimakkaasti renkaan urissa ja kontaktin välissä. Kuva 30 esittää anturin 1 x- ja z-suuntaiset kiihtyvyydet renkaan kulman funktiona kuivalla pinnalla viiden kierroksen ajalta. Kuvasta havaitaan, että molemmat signaalit osoittavat selvästi kontaktiin saapumisen ja siitä poistumisen. X-suuntaisen signaalin huiput osuvat z-suuntaisen kiihtyvyyden nopeimman muutoksen kohdalle. Eli zsuuntaisesta kiihtyvyyssignaalista kontaktin reunat voitaisiin etsiä kiihtyvyyden muutosnopeutta tutkimalla. Tämä luonnollisesti vaatisi signaalin suodattamisen, etteivät kohina ja korkeataajuuksiset värähtelyt aiheuttaisi ongelmia. Erisuuntaisten kiihtyvyyksien suuruusluokat ovat lähellä toisiaan, joskin z-suuntainen kiihtyvyys on hieman suurempi jokaisella nopeudella. Z-suuntainen signaali vastaa täysin esimerkiksi rengasmeluun liittyvissä mittauksissa saatuja pystysuuntaisia kiihtyvyyksiä [8]. Kuva 30. x- ja z-suuntainen kiihtyvyysanturisignaali renkaan kulman funktiona kuivalla pinnalla 1,8 bar paineella. 48 Renkaan säteis- vakiokiihtyvyyden. eli z-suuntainen Tämän kiihtyvyys kiihtyvyyden saavuttaa likimääräinen kontaktissa arvo voidaan tasaisen laskea keskeiskiihtyvyyden avulla. Toimintaperiaatteensa vuoksi anturi mittaa kiihtyvyyttä vain silloin, kun siinä tapahtuu muutosta. Siten kontaktin ulkopuolella kiihtyvyys on nolla, vaikka anturi kokee keskeiskiihtyvyyden. Kontaktissa tähän vakio keskeiskiihtyvyyteen syntyy muutos ja siten se havaitaan anturilla. Kiihtyvyyden arvo voidaan laskea keskeiskiihtyvyyden kaavalla: (6) jossa v on anturin kehänopeus ja r on anturin etäisyys renkaan keskiakselilta. Likimääräistä arvoa laskiessa voidaan etäisyytenä käyttää mittarenkaan ulkohalkaisijan puolikasta, joka on noin 0,316 m. Keskeiskiihtyvyydeksi 40 km/h nopeudessa saadaan 40 g, 60 km/h nopeudessa 90 g, 80 km/h nopeudessa 160 g ja 100 km/h nopeudessa 250 g. Kuvaajasta nähdään, että arvioidut kiihtyvyydet ovat lähellä mitattuja arvoja kontaktissa. Kuva 31 esittää anturin 1 x- ja z-suuntaiset kiihtyvyydet renkaan kulman funktiona märällä pinnalla. Alhaisilla nopeuksilla havaitaan, että vesikontakti erottuu z-suuntaisesta signaalista erittäin selvästi. Veden vaikutus signaaliin on samankaltainen kuin xsuuntaisessa signaalissa, mutta aiheutuvat kiihtyvyydet ovat suurempia. Suuremmissa nopeuksissa veden muodostama noste aiheuttaa anturin kiihtyvyyteen samankaltaisen muutoksen kuin tiekontaktissa. Vesi muodostaa kuitenkin tietä enemmän värähtelyä signaaliin. Tiekontakti alhaisissa nopeuksissa näkyy signaalista aivan kuten kuivan pinnan tapauksessa. X-signaalin huiput ovat z-signaalin suurimman kiihtyvyyden muutosnopeuden kohdalla. Z-suuntaisesta signaalista on silmin helpompi havaita kontakti sekä veden siihen aiheuttamat muutokset. Varsinkin suuremmissa nopeuksissa signaalista voidaan erottaa selvästi vesikosketus ja tiekontaktin tuloreuna, kun taas x-suuntainen signaali on vaikeammin luettavissa. Signaalin suodatuksen jälkeen, on x-signaali kuitenkin ohjelmallisesti helpompi lukea. Selvät huiput kontaktin muutosten kohdalla voidaan havaita ja niiden löytämiseksi voidaan määrittää sopivat raja-arvot väärän tunnistuksen välttämiseksi. 49 Kuva 31. x- ja z-suuntainen kiihtyvyysanturisignaali renkaan kulman funktiona märällä pinnalla 1,8 bar paineella. Kuva 32 esittää sivuttais- eli y-suuntaiset kiihtyvyysanturisignaalit renkaan kulman funktiona märällä pinnalla. Signaaleista voidaan havaita kontakti veden kanssa sekä anturin poistuminen kontaktista. Kokonaiskontaktin pituus voidaan siis arvioida mutta tiekontaktin erottaminen suurilla nopeuksilla on hankalaa. 40 ja 60 km/h nopeudessa tiekontaktin tuloreuna on vielä signaalista näkyvissä mutta suuremmilla nopeuksilla signaalissa ei ole juurikaan eroa vesi- ja tiekontaktin välillä. Siten y- eli poikittaissuuntainen kiihtyvyystieto ei osoittaudu yhtä käyttökelpoiseksi kontaktin tunnistuskeinoksi kuin kaksi muuta signaalia. Y-suuntainen signaali on yhteneväinen muun muassa kontaktivoimien mittauksessa saatujen poikittaisten kiihtyvyyksien kanssa [9]. 50 Kuva 32. y-suuntainen kiihtyvyysanturisignaali renkaan kulman funktiona märällä pinnalla 1,8 bar paineella. Kuvaan on merkitty ohjelmallisesti havaitut kontaktiin saapumis- ja kontaktista poistumiskohdat. Eri signaaleita vertailtaessa x- eli pitkittäissuuntainen kiihtyvyyssignaali osoittautuu käyttökelpoisimmaksi Pystysuuntaisessa juuri z-signaalissa siinä ilmenevien kontaktin kiihtyvyyshuippujen muutoskohdat havaitaan ansiosta. kiihtyvyyden muutosnopeuden perusteella. Tämä muutosnopeus ei toisaalta ole vesikontaktiin saavuttaessa kovin selvä ja siten kontaktin tarkka paikoitus on vaikeaa. Tiekontaktin reunat voidaan kylläkin havaita suurina kiihtyvyyden muutoksina. Lisäksi vesi aiheuttaa pystysuuntaiseen signaaliin enemmän värähtelyä kuin pitkittäiseen x-signaaliin. Tämä voi osittain johtua vyörakenteen jäykistävästä vaikutuksesta juuri pitkittäissuunnassa. Suurin vaikutus kuitenkin on veden aiheuttamilla pystysuuntaisilla voimilla, jotka ovat selvästi pitkittäisiä voimia suuremmat. Sivuttaissuuntaisessa y-signaalissa kontakti havaitaan amplitudin kasvuna. Signaali vaihtelee negatiivisesta positiiviseen värähtelytilan tavoin. Tällöin voidaan olettaa, että signaali on altis häiriöille ja kohinalle, jotka ilmenevät samalla tavoin. 51 4.3 Kiihtyvyysanturisignaali epätasaisuuksissa Aiemmin esitetyt tulokset perustuvat tasaisella alustalla saatuihin anturisignaaleihin. Vaikka kuiva ja märkä osuus on asfalttia, ovat ne makrotasolla tasaisia pintoja. Todellisuudessa tienpinnat ovat hyvin epätasaisia ja niissä on paljon epäjatkuvuuksia kuten saumakohtia ja kuoppia. Mikäli kiihtyvyysanturisignaalista halutaan saada luotettava tieto kontaktin tilasta, ei tienpinnan epätasaisuudet saa vaikuttaa signaaliin häiritsevästi. Kuva 33 esittää x-suuntaisen kiihtyvyysanturisignaalin 80 km/h nopeudessa kuivan osuuden ja vesiliirtoaltaan saumakohdassa. Kuvaan on merkitty ohjelman tunnistamat huiput, eli ne kohdat joiden perusteella ohjelma laskee suodatetusta signaalista kontaktin pituudet. Vasemmassa reunassa on ennen saumakohtaa olevalta kuivalta ja tasaiselta pinnalta saatu signaali. Signaali on aiemmin esitetyn kuivan osuuden signaalin kaltainen ja ohjelmallisesti helposti tunnistettavissa. Samoin oikealla oleva vesiliirtoaltaasta saatu signaali on aiemmin esitetyn osittaisen vesiliirron signaalin kaltainen. Kuva 33. Kiihtyvyysanturisignaali kuivan ja märän osuuden välissä olevan epätasaisuuden kohdalla. Keskellä kuvaa on saumakohdasta saatu signaali. Epätasaisuus aiheuttaa kiihtyvyyssignaaliin selvää värähtelyä, jolloin huippuja syntyy useampia. Ohjelma 52 tunnistaa ne huiput, jotka täyttävät sille annetut parametrit. Tässä tapauksessa ohjelma havaitsee kolme huippua kuten osittaisen vesiliirron tapauksessa. Tarkemmin tutkimalla havaitaan kuitenkin, että kontaktin kokonaispituus on paljon pidempi kuin kuivan ja märän osuuden tapauksessa. Voidaan siis päätellä, että varsinainen kontakti on lyhyempi kuin ohjelma antaisi olettaa. Siten oikea kontaktin jättöreunan huippu on luultavasti tuloreunan negatiivista kiihtyvyyshuippua seuraava positiivinen kiihtyvyyshuippu. Loput huipuista on epätasaisuuden aiheuttamaa värähtelyä renkaassa. Lyhyen saumakohdan aiheuttama häiriö signaaliin kestää vain yhden renkaan kierroksen ajan. Häiriön vaikutusta voidaan pienentää käyttämällä kontaktin arviointiin useamman kierroksen tietoja. Tällöin päivitystaajuus pienenee ja vaadittaisiin useampi anturi renkaan kehälle, jotta reaaliaikainen kontaktitieto säilytettäisiin. Yhdellä renkaan kierroksella kuitenkin edetään normaalin henkilöauton tapauksessa noin kahden metrin matka ja siten varsinaisen kontaktin tila voi muuttua paljon signaalin käsittelyn aikana. Lisäksi oikean kontaktitiedon tunnistukseen voitaisiin käyttää vain tietyillä renkaan kulmilla mitattuja arvoja. Koska kontakti tapahtuu lähes aina samoilla renkaan pyörähdyskulmilla, voidaan tämän alueen ulkopuoliset signaalin häiriöt suodattaa pois. 4.4 Suurnopeuskamerakuvat Kuva 34 esittää suurnopeuskameralla lasin läpi otetun kuvan 8 mm nestekerroksen yli 1,8 bar paineella 80 km/h nopeudessa. Kuva havainnollistaa käytettävän nesteen ominaisuuksien merkityksen kuvien tulkinnan kannalta. Kontaktin väliin puristuvan nesteen läpinäkyvyydellä on suuri vaikutus kuvasta nähtävään kontaktialaan. Kuvassa rengas voidaan havaita nestekerroksen läpi suurelta osin mutta toisaalta kontaktin alle muodostuu valkea kalvo. Todellista tiekontaktin alkamiskohtaa on vaikea havaita, sillä nestettä voi olla kontaktin välissä vaikka kuvassa valkeaa aluetta ei näkyisikään. 53 Kuva 34. Suurnopeuskuva 1,8 bar paineella 40 km/h nopeudessa. Kuva 35 esittää suurnopeuskameralla lasin läpi otetut kuvat ajettaessa eri nopeuksilla ja rengaspaineilla. Kuviin on lisätty aiemmin esitetyt, kiihtyvyysanturimittauksista saadut kontaktin pituudet vesiliirtoaltaasta. Kiihtyvyysanturimittaus tehtiin erillisellä lasilevyllä, eikä siis samassa vesiliirtoaltaassa kuin suurnopeuskuvaus. Kontaktin pituuksien ja suurnopeuskuvien skaalaus on sama. Kiihtyvyysantureilla mitatut kontaktin pituudet on sovitettu kuviin silmämääräisesti siten, että palkit paikoitettiin jättöreunaltaan kuvasta nähtävissä olevaan irtoamiskohtaan. Kuvissa tuloreuna sijaitsee oikealla ja jättöreuna vasemmalla. 54 kontaktin Rengaspaine 2,2 bar 2,6 bar 100 km/h 80 km/h 60 km/h 40 km/h Nopeus 1,8 bar Kuva 35. Lasin läpi otetut suurnopeuskamerakuvat eri nopeuksilla ja rengaspaineilla sekä niitä vastaavat kiihtyvyysantureilla määritetyt kontaktin pituudet. Kontaktin pituudet on jaoteltu tiekontaktiin (vihreä palkki) ja vesiliirtoon (punainen palkki). Vaikka lasilevy ja asfaltti poikkeavat vesiliirron kannalta suuresti toisistaan, on yhteneväisyyttä havaittavissa suurnopeuskuvissa sekä kiihtyvyysanturimittauksissa. 40 ja 60 km/h nopeuksissa voidaan havaita molemmissa tapauksissa tiekontaktin pituuden 55 lyheneminen rengaspainetta kasvatettaessa. Näissä nopeuksissa alhaisen paineen tuoma kontaktialan suureneminen on vielä hallitsevampaa kuin hydrodynaamisen paineen aiheuttama noste. 80 km/h nopeudessa kontaktin pituudet ovat kiihtyvyysanturien perusteella hyvin lähellä toisiaan eri paineilla. Hydrodynaaminen paine alkaa kumota matalan rengaspaineen tuomaa kontaktialan kasvua. Suurnopeuskuvista taas nähdään, että paineen kasvaessa kontaktin pituuskin kasvaa. Lasin sileä pinta aiheuttaa vesiliirron kehittymisen alhaisemmissa nopeuksissa ja siten 80 km/h nopeudessa lasilla aletaan lähestyä vesiliirtonopeutta, jolloin suurempi paine auttaa säilyttämään kontaktin pidempään. 100 km/h nopeudessa rengas on kiihtyvyysanturitulosten perusteella täydessä vesiliirrossa kaikilla paineilla. Suurnopeuskuvien perusteella kuitenkin näyttää siltä, että 2,6 bar paineella kontaktin takaosa käy vielä kosketuksessa lasin kanssa. Kontakti on kuitenkin niin lyhyt, että kiihtyvyysanturi ei erottaisi sitä kontaktipinnan irtoamiskohdasta. Kulutuspinnan reuna-alueet näyttävät suurnopeuskuvissa olevan kontaktissa lasin kanssa jokaisella nopeudella ja paineella. Kontaktin laatua on kuitenkin kuvista vaikea arvioida. Nesteen läpinäkyvyydellä on suuri vaikutus siihen, minkälainen kosketus näyttää varsinaiselta kontaktilta kuvia tarkastellessa. Kumin ja lasin välissä voi olla erittäin ohut näkymätön kalvo, joka aiheuttaa pidon täydellisen menetyksen. Koska kiihtyvyysanturit toisaalta osoittavat karkealla asfalttipinnalla koko kontaktin olevan 100 km/h nopeudessa täydessä vesiliirrossa, voidaan niiden olettaa antavan luotettava tieto pidon menetyksestä. Suurnopeuskuvasta tulkittaessa vesiliirtonopeuden voisi olettaa suuremmaksi kuin todellisessa tilanteessa se oikeasti on. Kuvista havaitaan selvästi miten vesiliirto kontaktissa kehittyy. 40 km/h nopeudessa kontaktin muoto on lähellä staattista tilannetta; tulo- ja jättöreuna ovat samanmuotoisia ja reunalla kontaktin pituus on hieman keskiosaa lyhyempi. Kiihtyvyysantureilla saadut kontaktin pituudet noudattavat pääosin tätä muotoa, joskin anturin 1 ja 2 välistä vaihe- ja pituuseroa ei kuvista voi erotella. Varsinkin 1,8 bar paineella kiihtyvyysanturitulokset ovat täysin yhteneväiset suurnopeuskuvan kanssa. 60 km/h nopeudessa vesi alkaa muodostaa nostetta kontaktin keskialueelle ja tuloreunan muoto muuttuu viivamaiseksi. Näkyvä kontaktin reuna on nyt lähes samalla tasalla niin 56 keskirivoissa kuin reunapaloissakin. Kiihtyvyysanturituloksissa kontaktin tuloreunan muutosta ei voi havaita. Anturi 2 osuu kontaktiin selvästi muita ennemmin. Tiekontaktin pituudet kuitenkin hieman lyhenevät ja vesikontakti pidentää kokonaiskontaktin pituutta huomattavasti. Vesikosketuksen muoto on samankaltainen tiekontaktin kanssa, eli anturi 2 saa kosketuksen veteen ennen muita antureita. 80 km/h nopeudella suurnopeuskuvissa hydrodynaamisen paineen kehittyminen on selvästi nähtävissä kontaktin keskialueelle muodostuvana vesipatjana. Mitä pienempi rengaspaine on kyseessä, sitä pidemmälle vesi pääsee kontaktin väliin. Toisin sanoen hydrodynaaminen paine ylittää rengaspaineen ja kontakti nousee veden päälle. Reunalla kulutuspintaa jäykistää renkaan runko, joten se vastustaa hydrodynaamista painetta keskialuetta enemmän. Kuvassa tämä on selvästi havaittavissa kontaktin tuloreunan u-muodosta. Kiihtyvyysantureiden väliset kontaktin pituuserot ovat tasaantuneet ja tiekontaktin muoto muuttunut tasaisen viistoksi. Muoto alkaa noudattaa kuvista nähtävää kontaktin u-muotoa. Reuna saapuu tiekontaktiin aiemmin kuin keskimmäiset rivat. Vesikontaktin reunalla kiihtyvyysantureiden kontaktin pituuksien vaihe-erot alkavat tasoittua. Antureiden yhtäaikaisempi osuminen veteen voi aiheutua renkaan edessä kulkevan aallon tasoittumisesta. Täyden vesiliirron vallitessa 100 km/h nopeudessa, suurnopeuskuvassa kulutuspinnasta näkyy vain ohut sirppimäinen osuus. Hydrodynaaminen paine on nostanut kulutuspinnan keskialueen selvästi veden päälle ja ainoastaan takareunasta kumi on lähellä lasikontaktia. Reuna-alueet näyttävät olevan kontaktissa, mutta ohuen vesikalvon mahdollisuus on olemassa. Kiihtyvyysanturimittaus osoittaa renkaan olevan täydessä vesiliirrossa ja vesikontaktin muoto on jokaisella paineella samankaltainen. Vesikosketus tapahtuu hyvin yhtäaikaisesti ja kokonaiskontaktin pituus on selvästi lyhyempi kuin 80 km/h nopeudessa. 4.5 Vesiliirtonopeudet Mittauksissa määriteltiin jokaiselle rengaspaineelle vesiliirtonopeus aiemmin esitetyllä tavalla. Kuva 27 esittää nämä nopeudet kuvaajan leikatessa y-akselin nollakohdan eli kun kontaktin pituutta ei enää ole. 1,8 bar paineella vesiliirtonopeus on 78 km/h, 2,2 bar paineella 83 km/h ja 2,6 bar painella 88 km/h. Jälleen on hyvä todeta, että kontaktin pituuskuvaajissa esitetyt nopeudet ovat auton mittarilukemia mittauksen alussa ja siten 57 esimerkiksi 90 km/h nopeudella 2,2 ja 2,6 bar paineella kontaktin pituus on kuvissa nähtävissä. Todellisuudessa nopeus on ollut alle vesiliirtonopeuden. Verrataan mitattuja vesiliirtonopeuksia vesiliirtoteoriaa käsittelevässä kappaleessa esitettyihin yleisiin laskentakaavoihin. Kaavalla 2 saadaan 1,8 bar paineella vesiliirtonopeudeksi 85 km/h. Tämä siis on Hornen lentokoneen renkaille kokeellisesti määrittelemä laskutapa. Huomataan, että kaava antaa todellisuutta selvästi suuremman nopeuden. 2,2 bar paineella vesiliirtonopeudeksi saadaan 94 km/h ja 2,6 bar paineella 102 km/h. Hornen määrittelemä vesiliirtonopeuden laskutapa, eli kaava 4 kuorma-auton renkaalle ottaa huomioon renkaan kontaktialasuhteen. Ratkaistaan yhtälöstä kontaktialasuhde mitatun vesiliirtonopeuden ja rengaspaineen avulla. 1,8 bar paineella ja 78 km/h vesiliirtonopeudella kontaktialasuhteen tulisi olla 0,70 eli kontaktin leveyden tulisi olla 70 % pituudesta. 2,2 bar paineella suhteen tulisi olla 0,76 ja 2,6 bar paineella 0,80. Suurnopeuskuvista voidaan arvioida kontaktisuhteen olevan lähellä yhtä, joten kyseinen laskutapa antaa liian alhaisia arvioita vesiliirtonopeuksista nykyaikaiselle henkilöauton renkaalle. Taulukko 2 esittää lasketut ja mitatut vesiliirtonopeudet eri rengaspaineilla. Suurnopeuskuvista arvioitiin kontaktialasuhteeksi 1. Taulukko 2. Mitatut ja lasketut vesiliirtonopeudet eri rengaspaineilla. Kontaktialasuhteena on käytetty lukua 1. Vesiliirtonopeus (km/h) Paine (bar) Mitattu Horne (kaava 2) Horne (kaava 4) 1,8 2,2 2,6 78 83 88 85 94 102 65 72 78 58 5 Johtopäätökset Vaikka ajoneuvot ovat kehittyneet valtavasti sekä aktiivisen, että passiivisen turvallisuuden osalta, pystyvät esimerkiksi ajonvakautusjärjestelmät reagoimaan vallitseviin ajotilanteisiin vasta, kun renkaan ja tien väliset voimat ovat siirtyneet pyöräntuennan kautta koriin. Tässä voimien välityksessä saattaa olla selvä viive, sillä pyöräntuennan joustot, jousitus sekä korin inertia viivästyttävät antureilla havaittavia ilmiöitä, joiden pohjalta järjestelmät toimivat. Nykyiset järjestelmät toimivat kohtuullisen nopeasti ja huomaamattomasti mutta ne perustuvat kontaktissa jo tapahtuneen muutoksen aiheuttamien ilmiöiden mittaamiseen. Tarvittavat korjaustoimenpiteet hoidetaan muun muassa jarruja käyttämällä ja siten järjestelmät lisäävät osien kulumista. Reaaliaikaisen tiedon saaminen kontaktista nopeuttaisi järjestelmien toimintaa. Järjestelmät voisivat puuttua ajoneuvon tilaan ennen kuin pito menetetään. Kontaktitiedon mittaaminen voidaan siis luokitella tärkeäksi aktiiviseksi turvajärjestelmäksi. Tämä kontaktitiedon tarve on osaltaan synnyttänyt rengastutkimuksessa käsitteen ”älykäs rengas”. Kontaktitietoa pyritään mittaamaan käyttämällä rengasta anturina. Monet anturityypit ovat vielä nykyisellään kalliita käytettäväksi sarjatuotantorenkaissa. Lisäksi tiedon- ja energianvälitys renkaan ja ajoneuvon välillä aiheuttaa tarpeen kehittää yhteneväinen liityntäpinta. Renkaat ovat kulutustuotteita ja eri valmistajien välinen yhteinen standardi voi olla suuri kynnyskysymys. Myös itse anturoinnin määrittely toimivaksi kaikissa olosuhteissa ja käyttökohteissa voi hidastaa niiden käyttöä renkaissa. Mittauskäyttöön tarkoitetut piensarjatuotantorenkaat voivat kuitenkin olla mahdollinen käyttökohde anturoinnille jo hyvinkin aikaisessa vaiheessa. Tällöin rengas-vanne-yhdistelmä voi olla ainutlaatuinen ja tiedonsiirto voidaan toteuttaa ajoneuvon järjestelmien ulkopuolisena osana. Rengasanturointi voi olla erittäin tehokas työväline esimerkiksi renkaiden tuotekehityksessä. Tarkan tiedon saaminen kontaktista auttaa ymmärtämään renkaan toimintaa ja vähentää perinteisten epätarkkojen mittauskeinojen tarvetta. Renkaan ja tien välinen kontakti kohtaa paljon vaihtelevia olosuhteita ja siten anturoinnin käytettävyyttä tarvitsee tutkia laajasti. Vesiliirto on yleinen ja eräs vaarallisimmista ilmiöistä, joka kontaktiin voi syntyä. Vesiliirrossa ajoneuvon hallinta voidaan menettää täysin, sillä ohjaavia voimia ei pääse vesikerroksen takia syntymään. Ajonvakautusjärjestelmäkään ei pysty vakauttamaan ajoneuvoa ennen kuin rengas kohtaa 59 jälleen tienpinnan. Siten vesiliirron ennakointi on erittäin tärkeä osa tulevaisuuden turvajärjestelmiä ja mahdollisia autonomisia autoja, joissa riittävän pidon säilyttäminen jokaisessa tilanteessa on välttämätöntä. Lisäksi vesiliirron aiheuttamien muutosten mittaaminen kontaktissa auttaa rengasvalmistajia renkaiden kehityksessä. Rengasanturoinnilla voidaan saada tarkempi kuva renkaiden vesiliirto-ominaisuuksista todellisissa olosuhteissa kuin perinteisillä menetelmillä. Tässä tutkimuksessa käytettiin kolmea rinnakkain asennettua kiihtyvyysanturia renkaan sisäpinnalla vesiliirron tutkimiseen. Samalla selvitettiin kiihtyvyysanturin käyttökelpoisuutta rengasanturoinnissa. Mittaukset suoritettiin testiradalla yhden renkaan vesiliirtoaltaassa. Lisäksi tehtiin suurnopeuskuvaus lasilevyn läpi ja saatuja kuvia verrattiin kiihtyvyysantureilla jälkikäsittelyä mitattuihin varten osoittautui tuloksiin. Kiihtyvyysanturisignaaleista pitkittäissuuntainen parhaaksi kiihtyvyyssignaali. Signaalit käsiteltiin siten, että niistä voitiin ohjelmallisesti määritellä kontaktin pituudet. Kontaktin pituuden määritystä varten pitkittäissuuntaisessa signaalissa oli selvät kiihtyvyyden huippukohdat, jotka syntyivät kontaktin eri vaiheissa. Signaalista voitiin erotella vesi- ja tiekontaktiin tuloreuna sekä kontaktin jättöreuna. Signaalin suodatus ja käsittely ovat tärkeässä roolissa luotettavaa kontaktitietoa mitattaessa. Tässä tutkimuksessa käytetty suodatustapa mahdollisti varman tavan löytää ohjelmallisesti kontaktin eri kohdat ja siten määritellä kontaktin pituudet. On kuitenkin huomattava, että tässä tapauksessa suodatustaajuudet voitiin kokeilemalla etsiä parhaiten sopivaksi ja siten saada luotettava tulos. Yleismallisen algoritmin kehitys vaihteleviin olosuhteisiin voi olla erittäin haastavaa ja vaatia paljon mittaustietoa erilaisista ympäristöistä. Tutkimuksessa havaittiin epätasaisen alustan aiheuttavan kiihtyvyyksiä, jotka vaikeuttivat kontaktitiedon laskemista. Vaikeus aiheutui siitä, että kiihtyvyydet syntyivät samansuuruisina amplitudeina ja taajuuksina kuin varsinainen kontaktisignaali. Lyhyiden epätasaisuuksien, kuten tässä mittauksessa käytetyllä testiradalla olleen saumakohdan vaikutus signaaliin jää lyhyeksi ja siten sitä voidaan vähentää keskiarvoistamalla signaalia pidemmältä aikaväliltä. Tämä on kuitenkin vain yksi poikkeus tasaisesta olosuhteesta epäjatkuvuuskohtia. ja rengas kohtaakin Poikkeustilanteiden todellisuudessa huomioiminen vaikeuksista ajoneuvojen turvajärjestelmiä suunniteltaessa. 60 onkin paljon yksi erilaisia suurimmista Kiihtyvyysantureilla saadut tulokset olivat yhteneväisiä aiempien vesiliirtotutkimusten kanssa, joskin mielenkiintoisia eroavia havaintoja tehtiin. Pienemmillä rengaspaineilla vesiliirtonopeus aleni, joskin sitä edeltävillä nopeuksilla osittaisessa vesiliirrossa pienempi rengaspaine näytti pääsevän myös pidempään tiekontaktiin. Tiekontaktin laatua eli pidon määrää tässä tapauksessa on vaikea arvioida, sillä kontaktin välissä voi olla pitoa alentava vesikalvo. Vesiliirron osuuden kontaktissa kasvaessa, eri antureiden väliset kontaktipituuserot pyrkivät tasoittumaan. Lisäksi vaihe-erot muuttuivat, eli kontaktin muoto muuttui. Nämä ovat eräitä mahdollisia vesiliirron tunnistuskeinoja lyhentyvän tiekontaktin pituuden lisäksi. Kiihtyvyysanturilla saadut kontaktin pituudet mukailivat suurnopeuskuvissa nähtyä kontaktin muotoa. Nopeuden kasvaessa vesiliirto kehittyi kontaktin keskiosassa ja pyrki nostamaan sen irti ennen kontaktipinnan reunoja. Vesiliirtonopeuksissa kuvat osoittivat mahdollisen pienen lasikontaktin olemassaolon vaikka kiihtyvyysanturit eivät havainneet kuin vesikontaktin. Kiihtyvyysanturilla nähtiin lisäksi renkaan osuminen veteen, mitä kuvista oli mahdotonta nähdä. Anturillisen renkaan käyttö mahdollistaa vesiliirron tutkimisen oikeilla tienpinnoilla ja siten tarjoaa todenmukaisempaa tietoa renkaan kehitystyötä varten. Suurnopeuskuvaus näyttää kontaktissa tapahtuvat ilmiöt erittäin tarkasti, mutta se vaatii sileän lasipinnan käyttöä. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että esimerkiksi vesiliirron kehittyminen eri lailla eri kontaktin osissa pystyttiin myös kiihtyvyysantureilla mittaamaan. Tutkimuksen perusteella voidaan siis todeta, että kiihtyvyysantureiden käyttö renkaassa vesiliirron tutkimisen kannalta voi olla tällä hetkellä kannattavaa renkaan tuotekehityksessä, sillä anturoinnilla voidaan suorittaa mittauksia todellisissa ympäristöissä toisin kuin esimerkiksi suurnopeuskameroilla. Antureilla saadaan lisäksi tarkempaa tietoa vesiliirron kehityksestä kontaktissa kuin perinteisillä vesiliirtonopeusmittauksilla. Mittauskäytössä anturitiedon käsittely voidaan hoitaa jälkikäteen ja haluttu data erotella muun tiedon joukosta. Ajonvakautusjärjestelmien kannalta anturointia tulisi tutkia enemmän, jotta tarvittavia algoritmeja vesiliirron tunnistamiseen voitaisiin kehittää. Erilaisten olosuhteiden ja ympäristöjen vaikutus tulisi oppia ymmärtämään, jotta luotettava toiminta voitaisiin varmistaa. Lisäksi anturoinnin toteutus sarjatuotantorenkaisiin nostaa kustannuksia ja vaatii yhtenäisiä rajapintoja renkaiden ja ajoneuvojen välille. 61 6 Ehdotuksia tuleviin tutkimuksiin Tämän tutkimuksen pohjalta voidaan antaa seuraavia ehdotuksia mahdollisiin tuleviin tutkimuksiin: - Tutkimuksissa käytetty anturointi on erittäin herkkä rikkoutumaan renkaan asennusvaiheessa ja suurissa renkaan muodonmuutoksissa. Johdotusta tulisi parantaa, jotta anturointia voidaan käyttää ja se voidaan purkaa huoletta tulevissa tutkimuksissa. Myös mahdollista langatonta tiedon- ja energianvälitystä tulisi miettiä. - Erilaisten renkaiden vaikutusta kiihtyvyysanturisignaaliin tulisi tutkia. Näin saataisiin käsitys siitä, vaikuttaako renkaan rakenne ja pintakuviointi signaalin käyttökelpoisuuteen ratkaisevasti. - Kiihtyvyysantureiden sijoitusta eri kohtiin renkaan kehälle voitaisiin tutkia. Näin päivitysnopeutta pystyttäisiin lisäämään ja sen vaikutusta reaaliaikaisen vesiliirtotiedon saantiin arvioimaan. - Erilaisten digitaalisten suodattimien käyttökelpoisuuden tarkempi tutkiminen tiedonkäsittelyvaiheessa voisi auttaa löytämään varmemman tavan tunnistaa kontakti kiihtyvyysanturisignaalista. - Erilaiset ajotilanteet kuten käännökset, kiihdytykset ja jarrutukset sekä niiden vaikutus kiihtyvyysanturisignaaliin tulisi tutkia, jotta tarkempi käsitys anturoinnin käyttökelpoisuudesta pystytään luomaan. - Vesiliirtoa ennustavan algoritmin kehittäminen voisi olla mahdollista osittain jo näiden mittausten pohjalta. Tulevissa tutkimuksissa voitaisiin perehtyä kiihtyvyysanturitiedon muuntamiseen esimerkiksi ajonvakautusjärjestelmille sopivaksi tiedoksi. 62 Lähteet [1] Persson B, Tartaglino U, Albohr O, Tosatti E. Rubber friction on wet and dry road surfaces: The sealing effect. Physical Review B 2005;71. [2] Wallman C-G, Åström H. Friction Measurement Methods and the Correlation Between Road Friction and Traffic Safety. A Literature Review. VDI Meddelande 911A. 2001. [3] Breuer B, Eichhorn U, Roth J. Measurement of Tyre/Road-Friction Ahead of the Car and Inside the Tyre. International Symposium on Advanced Vehicle Control, 1992, p. 347–53. [4] Tuononen AJ, Hartikainen L. Optical Position Detection Sensor to Measure Tyre Carcass Deflections in Aquaplaning. International Journal of Vehicle Systems Modelling and Testing 2008;3:189–97. [5] Tuononen AJ, Matilainen MJ. Real-time Estimation of Aquaplaning with an Optical Tyre Sensor. Journal of Automobile Engineering 2009;223:1263–72. [6] Tuononen AJ. Laser Triangulation to Measure the Carcass Deflections of a Rolling Tire. Measurement Science and Technology 2011;125304:1–10. [7] Xiong Y, Tuononen A. Optical Measurement of Tread Deformation for Rolling Resistance Studies. The International Association for Vehicle System Dynamics, 2013. [8] Dare T, Bernhard R. Accelerometer Measurements of Tire Tread Vibrations and Implications to Wheel-Slap Noise. Tire Science and Technology 2013;41:109–26. [9] Braghin F, Brusarosco M, Cheli F, Cigada A, Manzoni S, Mancosu F. Measurement of Contact Forces and Patch Features by Means of Accelerometers Fixed Inside the Tire to Improve Future Car Active Control. Vehicle System Dynamics 2006;44:3– 13. [10] Matilainen MJ, Tuononen AJ. Intelligent Tire to Measure Contact Length in Dry Asphalt and Wet Concrete Conditions. International Symposium on Advanced Vehicle Control, 2012. [11] Ergen SC, Sangiovanni-Vincentelli A, Sun X, Tebano R, Alalusi S, Audisio G, et al. The Tire as an Intelligent Sensor. Computer-Aided Design 2009;28:941–55. [12] Balini A, Boiocchi M, Losi P. High Performance Rain Tyre. WO2012042468 A1, 2012. [13] Raab M. Device for Recognizing The Risk of Aquaplaning Which Can Occur During the Driving of a Vehicle. US6856882, 2005. [14] Mehr W, Strauss M, Eckert A. Method for Automatically Preventing Aquaplaning. US20130035836, 2013. [15] Horne WB, Dreber RC. Phenomena of Pneumatic Tire Hydroplaning. NASA Technical Note D-2056 1963. [16] Hays DF, Browne AL. Tire Hydroplaning: Testing, Analysis and Design. The Physics of Tire Traction Theory and Experiment, 1974, p. 25–63. [17] Persson BNJ, Scaraggi M. On the Transition from Boundary Lubrication to Hydrodynamic Lubrication in Soft Contacts. Journal of Physics Condensed Matter : an Institute of Physics Journal 2009;21:22. [18] Changyong C. Skid Resistance and Hydroplaning of Truck Tires. Diplomityö. National University of Singapore, 2010. [19] Persson BNJ, Tartaglino U, Albohr O, Tosatti E. Sealing is at the origin of rubber slipping on wet roads. Nature Materials 2004;3:882–5. [20] Seta E, Nakajima Y, Kamegawa T, Ogawa H. Hydroplaning Analysis by FEM and FVM: Effect of Tire Rolling and Tire Pattern on Hydroplaning. Tire Science and Technology 2000;28:140–56. [21] Kumar SS, Anupam K, Scarpas T, Kasbergen C. Study of Hydroplaning Risk on Rolling and Sliding Passenger Car. Procedia - Social and Behavioral Sciences 2012;53:1020–8. [22] Dixon JC. Tyres, Suspension and Handling. Society of Automotive Engineers; 1996. [23] Van Es GWH. Hydroplaning of Modern Aircraft Tires. National Aerospace Laboratory NLR Report. NLR-TP-2001-242,. 2001. [24] Horne WB, Yager TJ, Ivey DL. Recent Studies to Investigate Effects of Tire Footprint Aspect Ratio on Dynamic Hydroplaning Speed. ASTM International; 1986. [25] Sillem A. Feasibility Study of a Tire Hydroplaning Simulation in a Finite Element Code Using a Coupled Eulerian-Lagrangian Method. Diplomityö. Delft Institute of Aplied Mathematics, 2008. [26] Grogger H, Kratochwill H, Weiss M, Volk H. Berechnung der dreidimensionalen freien Strömung beim Aquaplaningn eines Nullkonturreifens mit Berucksichtigung der Reifenverformung. VDI Berichte Nr 1224, 1995. [27] Jansen LG, Stan A V. Analysis of Hydroplaning Photos Using an Image Analyzer. SAE Technical Paper Series 860244, 1986. [28] Neudecker F. Aquaplaning Tests with CORREVIT Optical Sensors. CORRSYSDATRON Sensorsystems GmbH. 2004. [29] National Instruments Corporation. NI 9234 Datasheet. Saatavissa: http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-316/lang/fi/pdf/yes/pdf. Viitattu: 4.6. 2013. [30] National Instruments Corporation. NI 9215 Datasheet. Saatavissa: http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-192/lang/fi/pdf/yes/pdf. Viitattu: 4.6. 2013. [31] Smith SW. The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing; 1997. [32] Tsotras A. On the Interaction Between Modal Behaviour and Contact Force Development of a Pneumatic Tyre. Lisensiaatintyö. Loughborough University, 2010.
© Copyright 2024