Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы исследования сглаживающей способности шин 10
1.1. Краткие сведения о пневматических автомобильных шинах 10
1.2. Силы, действующие на колесо при его движении по опорной поверхности 12
1.3. Основные показатели контактного взаимодействия шины с опорной поверхностью 14
1.4. Сглаживающая способность шины 15
1.5. Экспериментальные методы исследования сглаживающей способности шины 17
1.6. Расчетные методы моделирования сглаживающей способности шин 24
1.7. Численные методы, применяемые для расчета сложных механических систем 32
1.8. Основные принципы и рекомендации по проведению расчетов с использованием МКЭ 36
1.9. Расчетные конечно-элементные модели шин 38
1.10. Выводы по главе 44
Глава 2. Теоретические основы расчетного метода 45
2.1. Создание конечно-элементной модели автомобильной шины 45
2.2. Вариационная формулировка решения нелинейных задач в приращениях, основанная на модифицированном подходе Лагранжа 45
2.3. Основные соотношения метода конечных элементов для линейного и нелинейного анализа 49
2.4. Постановка задачи для нелинейного динамического анализа твердого тела 54
2.5. Интегрирование уравнения динамического равновесия методом центральных разностей 58
2.6. Модель гиперупругого материала Муни-Ривлина 59
2.7. Демпфирующие свойства материалов 62
2.8. Учет контактного взаимодействия 64
2.9. Основные положения расчетно-экспериментального метода определения жесткостной и демпфирующей характеристик автомобильной пневматической шины 65
2.10. Выводы по главе 67
Глава 3. Создание расчетной модели и расчет параметров взаимодействия шины с неровной опорной поверхностью 69
3.1. Разработка расчетной модели шины 69
3.2. Проверка адекватности модели 75
3.3. Влияние формы неровности на деформацию шины 80
3.4. Модель движения колеса по неровной опорной поверхности 95
3.5. Влияние формы неровности на демпфирующие свойства шины 99
3.6. Выводы по главе 103
Глава 4. Экспериментальные исследования сглаживающей способности шин 105
4.1. Цель экспериментальных исследований 105
4.2. Планирование и методика обработки результатов экспериментов 105
4.3. Задачи экспериментальных исследований 109
4.4. Конструкция стенда "активное колесо" 110
4.5. Методика проведения исследований взаимодействия колеса с твердой неровной поверхностью 112
4.6. Взаимодействие движущегося колеса с неровной твердой опорной поверхностью 113
4.7. Методика определения характеристик материала Муни-Ривлина 116
4.8. Выводы по главе 118
Общие выводы работы 119
Список литературы 121
- Силы, действующие на колесо при его движении по опорной поверхности
- Вариационная формулировка решения нелинейных задач в приращениях, основанная на модифицированном подходе Лагранжа
- Основные положения расчетно-экспериментального метода определения жесткостной и демпфирующей характеристик автомобильной пневматической шины
- Влияние формы неровности на демпфирующие свойства шины
Введение к работе
Актуальность темы. Одна из основных задач при проектировании колесных машин связана со снижением динамических воздействий на конструкцию автомобиля со стороны неровностей дороги. Рациональный выбор характеристик подрессоривания способствует повышению управляемости, устойчивости и безопасности движения колесной машины, увеличению ресурса ее деталей, улучшению показателей плавности хода. Современные технологии проектирования автомобилей широко используют для выбора параметров системы подрессоривания возможности моделирования динамики движения по неровным дорогам, что позволяет существенно ускорить процесс создания и доводки автомобиля, обеспечить заданные его характеристики (массовые, прочностные, эксплуатационные). Однако потенциал расчетных методов анализа динамики движения в полной мере может быть реализован только при использовании моделей, адекватно отражающих свойства основных систем, узлов и агрегатов автомобиля, и в первую очередь, элементов его ходовой системы, а также отражением особенностей взаимодействия колесной машины с дорожной поверхностью. Возмущающее воздействие от неровностей дороги на подрессоренные массы транспортного средства существенно зависит от сглаживающей способности пневматической шины, т.е. от свойства шины уменьшать подъем оси колеса по сравнению с высотой преодолеваемой неровности и увеличивать зону действия неровности на колесо. Шина в ходовой системе является одним из наиболее сложных объектов для моделирования. Для исследования ее механических свойств необходимо привлечение методов нелинейной механики, одновременно учитывающих совокупность нелинейных факторов (физическая, геометрическая нелинейности, гиперупругие свойства материалов, контактное взаимодействие).
До настоящего времени задача моделирования пневматической шины (как технического объекта при статических и динамических воздействиях) решалась весьма приближенно, на основе значительных упрощений, что нередко приводило к серьезным погрешностям в расчетах.
Сегодняшний уровень развития вычислительной техники позволяет рассматривать данную научно-исследовательскую задачу в более точной постановке, использовать более сложные расчетные схемы (учитывающие перечисленные нелинейные факторы), полнее отражать в моделях особенности сложной армированной конструкции шины, учитывать взаимодействие шины с неровной опорной поверхностью. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Цель работы: Создание новых, более точных по сравнению с известными, экспериментально подтвержденных способов моделирования автомобильных пневматических шин, взаимодействующих с твердой неровной опорной поверхностью, учитывающих все основные особенности конструкции шины, механические свойства материалов, характер силового нагружения автомобильного колеса, геометрические параметры неровностей опорной поверхности.
Объект исследования: Автомобильная пневматическая бескамерная шина с радиально расположенным каркасом, взаимодействующая с твердой опорной поверхностью с неровностями, имеющими различные размеры и форму.
Методы исследований. Методы сопротивления материалов, нелинейной теории упругости, метод конечных элементов (МКЭ), методы математической статистики, геометрического моделирования, компьютерной графики, методы теории колесных машин, методы математического моделирования деформирования пневматической шины при статических и динамических воздействиях в пятне контакта с неровной твердой поверхностью, методы экспериментальной механики для проведения натурных испытаний шины (на стенде "Грунтовой канал" кафедры автомобилей и двигателей ФГБОУ ВПО МГИУ) и для получения механических характеристик резины (на испытательной машине ИР 5081-20).
Научная новизна:
-
Разработана новая уточненная трехмерная расчетная модель автомобильной пневматической шины, учитывающая основные особенности ее объемной конструкции (боковины и части протектора из резины, армирование каркасом, бортовой проволокой, опоясывающим кольцом), отражающая нелинейные свойства (несжимаемость и гиперупругость резины, геометрически нелинейное деформирование корда шины, контактное взаимодействие шины с твердой неровной опорной поверхностью), использующая эквивалентную схему моделирования армирования кордом, позволяющая в статике и динамике оценить жескостные свойства шины (при различных значениях вертикальной нагрузки на колесо, значениях давления в шине, различной форме неровностей опорной поверхности), подтвержденная экспериментальными исследованиями.
-
Предложен расчетно-экспериментальный метод определения жестко-стной и демпфирующей характеристик автомобильной пневматической шины и оценки ее сглаживающей способности при статическом взаимодействии автомобильного колеса с твердой неровной опорной поверхностью и при движении колеса по неровной дороге с неровностями различных размеров и формы на основе подтвержденного экспериментально трехмерного физически и геометрически нелинейного моделирования шины с учетом контактного взаимодействия шины с опорной поверхностью.
-
Предложена методика определения характеристик гиперупругого материала Муни-Ривлина (для моделирования резины в методе оценки сглаживающей способности автомобильных пневматических шин) на основе сравнения результатов расчетов и испытаний образцов, вырезанных из боковины шины, а также на основе сравнения результатов расчетов и натурных испытаний деформирования шины на плоской твердой поверхности при вертикальном нагружении.
-
Впервые расчетным путем получены результаты по деформированию автомобильной пневматической шины при ее взаимодействии с твердой не-
ровной опорной поверхностью, позволившие выявить нелинейные зависимости жесткости шины и коэффициента демпфирования от характеристик ее на-гружения, формы и размеров неровностей опорной поверхности.
Достоверность результатов обеспечена строгим математическим обоснованием разработанных методов моделирования, подтверждена сравнением расчетных характеристик жесткости шины с данными экспериментов и достигнутой степенью сходимости при экспериментальном и расчетном исследовании взаимодействия шины с твердой ровной опорной поверхностью.
Практическая ценность: На основе результатов выполненных исследований для практического использования создана методика решения задачи взаимодействия шины с неровной опорной поверхностью, учитывающая конструктивные особенности шины, условия нагружения, размеры и форму неровностей. Методика позволяет оценить изменение жесткостных параметров шины при взаимодействии с различными неровностями и при различных параметрах нагрузок с целью уточнения динамической модели движения в общей системе " дорога - шина - автомобиль - водитель ".
Задачи исследования:
-
Создание расчетной нелинейной (геометрически, физически) динамической модели шины в трехмерной постановке с возможностью учета контактного взаимодействия с твердой неровной опорной поверхностью.
-
Разработка методики получения механических характеристик эластичных материалов, из которых изготовлена шина.
-
Исследование контактного взаимодействия с твердой неровной поверхностью и определение законов изменения траектории центра масс колеса и коэффициентов жесткости и демпфирования шины.
-
Подтверждение адекватности разработанной расчетной модели шины, путем проведения испытаний ее взаимодействия с твердой гладкой опорной поверхностью и сравнения результатов испытаний с результатами расчета.
-
Оценка влияния давления воздуха в шине и нормальной нагрузки на жесткость шины и ее сглаживающую способность.
-
Исследование сглаживающей способности шины при движении колеса по неровной твердой поверхности в общей постановке.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены на конференциях:
-
Конференция «Проектирование колесных машин и двигателей внутреннего сгорания», посвященная 50-летию МГИУ, 2009.
-
Конференция, посвященная 100-летию со дня рождения А.М.Кригера. Секция «Автомобили и двигатели», 2010.
-
Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых автомобильного факультета "Молодая наука АФ 2011".
-
9-я Международная конференция пользователей ANSYS/CADFEM 24-28 октября 2011.
-
70-я юбилейная научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ (30 января - 4 февраля 2012 г.).
6. Международная научно-практическая конференция: "Современный
автомобиль и его взаимодействие с окружающей средой" (февраль 2013 г.).
7. Совместная пользовательская конференция ANSYS и ПЛМ Урал (4-
5 июня 2013 г.).
Реализация работы. Материалы диссертационной работы используются при обучении студентов кафедры автомобилей и двигателей ФГБОУ ВПО "МГИУ".
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, списка литературы (70 литературных источников). Основная часть работы изложена на 124 страницах, содержит 61 иллюстрацию и 4 таблицы.
Силы, действующие на колесо при его движении по опорной поверхности
Колеса автомобиля, оснащенные пневматическими шинами, непосредственно контактируют с поверхностью дороги, осуществляя первичное сглаживание возмущающего воздействия неровностей пути на кузов. Взаимодействие колеса с опорной поверхностью является сложным процессом, обусловленным как особенностями конструкции самой шины, так и характеристиками дорожной поверхности [28, 37, 40, 45, 47, 53]. Рассмотрим процесс переезда автомобильным колесом неровности длиной s и высотой q (рис. 1.5, а) при движении автомобиля со скоростью .
Схема движения абсолютно жесткого колеса по твердой поверхности с неровностью данной формы показана на рис. 1.5, б, эластичного колеса на рис. 1.5, в. Для абсолютно жесткого колеса (см. рис. 1.5, б) вертикальное перемещение оси колеса h равно высоте неровности q. Для эластичного колеса вертикальное перемещение оси колеса h меньше, чем высота неровности q, а траектория движения оси колеса более пологая (сглаженная) вследствие деформирования шины. а) б) в)
Первоначально под сглаживающей способностью понимался процесс изменения траектории оси колеса и сил, действующих на неподрессоренные массы при обкатывании колесом с эластичной шиной отдельных неровностей дороги различной высоты и конфигурации. В дальнейшем исследования процессов взаимодействия колеса с пневматической шиной и неровностей дорожного полотна показали, что данное свойство колеса целесообразно назвать нивелирующей способностью [45, 47], которое интегрирует в себе сглаживающую способность шины и обкатывающую (обтекающую) способность самого колеса.
Исследования обтекающей способности автомобильного колеса, как жесткого, так и эластичного представляют интерес для определения нагруженности и плавности хода транспортных машин и тракторов, эксплуатируемых по бездорожью, и в настоящее время практически завершены работами отечественных и зарубежных ученых (А.К. Бируля, А.К. Фрумкин, В.А. Щетина, В.М. Гольдштейн, Г.Д. Гродский, P.JL Гуслицер, К. Klopper, Н. Moppert, М. Julien, I. Paulsenи др.).
Проблема учета сглаживающей способности шины имеет значительно более короткую историю своего развития, что связано, в первую очередь, со значительной сложностью рассматриваемой проблемы, как в теоретическом описании данного свойства пневматической шины, так и в экспериментальной проверке выявленных закономерностей, а также в неизбежном изменении параметров колебательной системы, в состав которой шина входит как упругий и демпфирующий элемент.
Под сглаживающей способностью шины в настоящее время понимается свойство шины уменьшать подъем оси колеса по сравнению с высотой преодолеваемой неровности и увеличивать зону действия неровности на колесо [31] (см. рис. 1.5. в). При этом качение колеса по неровностям дороги сопровождается смещением границ начала и окончания взаимодействия элементов шины с неровностями относительно их действительных границ, смещением взаимодействующих элементов шины относительно вертикали, проходящей через ось, и одновременным взаимодействием шины с несколькими последовательно расположенными неровностями в зоне контакта.
Первые исследования взаимодействия эластичного колеса с неровностями дороги посвящены определению жесткостных свойств шин при ее контакте с неровностями различной формы и размеров и построению траекторий перемещения его оси во время движения [28, 37].
Следующим этапом исследования сглаживающей способности шины стал переход от движения колеса через единичную или последовательно расположенные неровности регулярного профиля к движению колеса по участку дороги со случайным микропрофилем [45, 49, 53].
Если первый этап в основном связан с проведением экспериментов, то второй уже обусловлен созданием теоретических расчетных моделей, описывающих движение колеса по неровной опорной поверхности.
Экспериментальные методы исследования сглаживающей способности автомобильных шин осуществляются по двум направлениям:
1. Использование специальных лабораторных стендов, где основной задачей является определение траекторий движения оси колеса с пневматической шиной по искусственным неровностям синусоидального профиля;
2. Использование полнокомплектных автомобилей, оборудованных испытательными шинами при движении по специальным дорогам полигона. В результате испытаний получают спектральные характеристики колебаний различных точек автомобиля.
Экспериментальные исследования пневматических шин как элементов подрессоривания автомобиля выявили два основных направления в разработке испытательных стендов: 1. Стенды рычажного типа; 2. Стенды платформенного типа. Стенды рычажного типа в основном предназначены для определения упругих свойств и поглощающей способности шин в режиме свободных затухающих колебаний. Стенды платформенного типа предназначены для определения геометрических параметров и упругих свойств шин в режиме непрерывного нагружения. Одним из первых стендов рычажного типа, упомянутых в отечественных публикациях, был стенд, разработанный в автомобильной лаборатории МВТУ им. Баумана под руководством К.С. Колесникова (рис. 1.6) [29].
Вариационная формулировка решения нелинейных задач в приращениях, основанная на модифицированном подходе Лагранжа
Во многих прикладных задачах исследования нелинейного деформирования твердого тела необходимо подробно исследовать весь путь деформирования системы от начального к конечному состоянию нагружения, представив этот путь в виде последовательности достаточно близких друг к другу равновесных точек. Такой подход обеспечивает достаточную точность анализа существенно нелинейных систем (когда равновесие системы определяется историей нагружения) и более высокую устойчивость численных алгоритмов (при малом шаге движения по пути равновесных конфигураций), удобен не только для задач статического нагружения, но и в исследованиях динамики. При моделировании во времени динамических процессов, происходящих в нелинейной системе при изменяющейся нагрузке, также применяют шаговые процедуры. Анализ последовательности состояний динамического равновесия может быть эффективно выполнен на основе вариационной формулировки задачи в приращениях. В основу разработанной методики конечно-элементного анализа деформирования системы в приращениях с учетом физически и геометрически нелинейных свойств исследуемого объекта положен вариационный принцип, использующий модифицированный подход Лагранжа [16]. При пошаговом нагружении посредством приращения нагрузки рассматривается состояние равновесия системы под действием накопленных на предыдущих шагах значений объемной и поверхностной нагрузок и их дополнительных приращений , на текущем шаге нагружения. В состоянии равновесия при действии на тело нагрузок , (без приращений) вводится отсчетная конфигурация (соответствующая деформированному телу) с объемом тела и поверхностью . Модифицированный подход Лагранжа для текущего шага приращения нагрузки, как развитие принципа виртуальной работы [16], может быть записан в виде: где - модифицированный тензор напряжений Кирхгоффа, состоящий из суммы компонент тензора напряжений Эйлера и компонент модифицированного тензора приращений напряжений Кирхгоффа, записанных в отсчетной конфигурации; - модифицированный тензор приращений деформаций Коши-Грина (вычисленный по приращениям перемещений относительно отсчетной конфигурации); , - суммарные объемные и поверхностные нагрузки, достигнутые на шаге нагружения; - приращения перемещений на шаге нагружения (варьируемые параметры); - символ вариации; - символ приращения величины на шаге нагружения. Объемные и поверхностные силы ( , ) отнесены к единичным объему и поверхности тела в деформированном состоянии, соответствующим отсчетной конфигурации.
Между формулировками базового принципа виртуальной работы и модифицированного принципа Лагранжа (2.1) имеются различия. Отсчетной конфигурацией в первом из них является исходная (недеформированная) форма объекта, объём и поверхность которого используются при интегрировании. Отсчетной конфигурацией в модифицированном принципе Лагранжа является равновесная форма системы (деформированное состояние) при действии нагрузок , (без приращений). Модифицированный тензор приращений деформаций Коши-Грина , вычисленный по приращениям перемещений относительно отсчетной (деформированной) конфигурации, имеет вид: декартовы координаты деформированной в отсчетной конфигурации системы (для материальной точки, которая имела в недеформированном состоянии координаты , координаты в отсчетной конфигурации равны ).
Тензор Эйлера (входящий в состав модифицированного тензора напряжений Кирхгоффа ) определяется компонентами напряжений, действующими на грани бесконечно малого параллелепипеда, вырезанного из деформированного (в отсчетной конфигурации) тела плоскостями, параллельными координатным плоскостям, проходящими через точки . Определение компонент модифицированного тензора приращений напряжений Кирхгоффа (из состава модифицированного тензора напряжений Кирхгоффа ) относительно отсчетной (деформированной) конфигурации совпадает с определением компонент тензора напряжений Кирхгоффа (не модифицированного), если за исходную конфигурацию (на которой определены координаты ) принять деформированное состояние тела, соответствующее отсчетной конфигурации.
При переходе к следующему шагу нагружения и изменении отсчетной конфигурации компоненты модифицированного тензора напряжений Кирхгоффа , отнесенные к предыдущей конфигурации, должны быть преобразованы к компонентам тензора Эйлера в новой конфигурации:
Основные положения расчетно-экспериментального метода определения жесткостной и демпфирующей характеристик автомобильной пневматической шины
Разработаны основные принципы моделирования, обеспечивающие адекватность расчетной модели, минимальную трудоемкость ее подготовки и пониженные требованиями к ресурсам ЭВМ.
На первом этапе определены физические характеристики материалов, из которых состоит шина. Из реальной шины вырезаны образцы для испытаний с целью получения механических характеристик материала и для определения геометрических параметров профиля шины.
В результате измерений профиля вырезанного сегмента шины определены характерные точки поперечного сечения (рис. 3.1 б). Точками учтено расположение армирующих элементов в шине. Далее точки соединены линиями (рис. 3.1 в). Линии разбиты на отрезки, которые использованы для последующего формирования конечно-элементной сетки. От качества формы элементов зависит точность интегрирования уравнений равновесия явным методом и сходимость процесса решения.
Далее сформированы области, образующие профиль сечения шины (рис. 3.2). На рис. 3.2 указаны вспомогательные области, которые определяют расположение армирующих элементов. Элементы будут сформированы в процессе моделирования. Затем поворотом профиля поперечного сечения шины вокруг оси ее вращения сформирована трехмерная модель сегмента (по угловой координате) шины. Угловой шаг сегмента соответствует шагу расположения элеметов эквивалентного армирования, моделирующих каркас в шины (рис. 3.3).Угловой шаг принят =6о.
Армирующие элементы шины (каркас, бортовая проволока, опоясывающее кольцо) смоделированы стрежневыми элементами, воспринимающими растягивающие нагрузки, Расположение стержней совмещено с ребрами соответствующих объемных элементов. Количество и расположение в пространстве стержней соответствует выбранной схеме эквивалентного армирования реальной шины кордом. Элементы каркаса расположены с шагом, равным линейному размеру объемных конечных элементов, моделирующих резиновую часть шины. Модели бортовой проволоки и опоясывающего кольца представляют собой кольца, состоящие из стержневых элементов, которые расположены с определенными шагом так, чтобы обеспечить заданную жесткость реального объекта. Армирующие элементы расположены равномерно. Параметр жесткости моделей армирующих элементов пропорционален приведенной площади их поперечного сечения, которая вычисляется по формуле: где: - количество проволоки в рассматриваемом сегменте реальной шины; - диаметр проволоки армирующих элементов реальной шины; - количество армирующих элементов в модели шины. При определении характеристик модели эквивалентного армирования каркаса рассмотрен один сегмент по угловой координате. При этом условии формула (3.1) примет вид: где -приведенная площадь элемента каркаса; - число нитей каркаса в сегменте. На рис. 3.4. представлена модель шины и расположением армирующих элементов в ней. Рис.3.4. Трехмерная модель шины с армирующими элементами
Следующим является этап формирование конечно-элементной сетки. Размер объемных элементов в продольной плоскости шины выбран так, чтобы каждый объемный элемент совпадал по длине со стержневыми элементами, моделирующими каркас. Такой способ моделирования создает необходимую жесткость композиционной системы и не приводит к волнообразному выпучиванию поверхности шины при действии внутреннего давления воздуха. Конечно-элементная модель шины представлена на рис. 3.5. Рис.3.5. Конечно-элементная модель шины
Разработанная методика моделирования шины применена для решения ряда задач, связанных с исследованием взаимодействия автомобильного пневматического колеса с опорной поверхностью. В каждом конкретном случае, зависящем от формулировки поставленной задачи, реализованы соответствующие способы приложения нагрузки, задания граничных и начальных условий по перемещениям, скоростям, ускорениям.
Для подтверждения адекватности модели и принятых расчетных схем, решен ряд контактных задач взаимодействия шины с твердой, ровной, горизонтальной опорной поверхностью (в квазистатической постановке). В результате определен вертикальный прогиб шины в зависимости от нормальной нагрузки на колесо (рис. 3.6) при различных значениях внутреннего давления воздуха в шине . Рис. 3.6. Расчетная схема тестовой задачи
Диапазон нагрузки составлял от 1500 до 3500 Н с шагом изменения 500 Н, диапазон внутреннего давления воздуха в шине – от 0,1 до 0,2 МПа с шагом изменения 0,05 МПа. В расчетах использованы условия симметрии данной задачи. Смоделирована четвертая часть шины с введением соответствующих закреплений. Конечно-элементная модель в препроцессоре LS-Dyna показана на рис. 3.7.
Результаты расчетного моделирования приведены на рис. 3.8. Показано взаимное положение шины и опорного основания до приложения вертикальной нагрузки и после него. Хорошо заметно образование контактной зоны между шиной и опорной поверхностью, а также изменение формы автомобильной шины. давление в шине, создаваемое конструкцией корда: каркасом, опоясывающим кольцом и др. (определяется экспериментально, в данной случае =0,008 МПа); К – коэффициент, учитывающий конструкционные особенности шины (диагональная или радиальная шина, количество слоев наполнителя, конструктивные особенности протектора, материал армирующих элементов и т.д.). Коэффициент К определяется экспериментально для конкретного типа шин. Формула (3.2) широко применяется в инженерных расчетах для определения характеристик взаимодействия шины с ровной поверхностью дороги. Данная формула подтверждается результатами испытаний. Для экспериментальной проверки адекватности расчетной модели шины проведены испытания шины на стенде «Грунтовой канал», созданном специалистами кафедры «Автомобили и двигатели» ФГБОУ ВПО «МГИУ» (рис. 3.10). На стенде возможны испытания шин, как на твердой поверхности, так и на деформируемой грунтовой поверхности с различными свойствами. Методика выполненного в рамках данной работы эксперимента предусматривает установку колеса (модуль «активное управляемое колесо») на ровную твердую поверхность и последующее его нагружение с помощью набора мерных грузов массой, кратной 50 кг. Начальное внутреннее давление воздуха в шине установлено равными =0,2 МПа, начальная нагрузка на колесо =1500 Н.
Влияние формы неровности на демпфирующие свойства шины
Как показано на рис. 3.35, 3.37, при взаимодействии с неровной опорной поверхностью, логарифмический декремент затухания колебаний меняется в пределах до 10% для данных типов неровностей. Это может быть вызвано погрешностью возникающей при решении задачи. На рис. 3.36, 3.38 показано, что при взаимодействии с неровной опорной поверхностью коэффициент демпфирования шины не является постоянным. Она зависит от параметров неровностей, от внутреннего давления воздуха в шине и нормальной нагрузке на колесе. От величины нормальной нагрузки этот параметр зависит в меньшей степени (не более 8% для выступающей неровности s=120мм, внутреннем давление воздуха в шине pw=0,2МПа) при изменении нормальной нагрузки Pz в два раза. На основании можно приять допущении о том, что коэффициент демпфирования шины kш не зависит от изменения нормальной нагрузки Pz. Внутреннее давление воздуха в шине напротив, оказывает существенное влияние на изменение коэффициента демпфирования шины kш. Это видно на примере неровности в виде впадины прямоугольного сечения при уменьшении внутреннего давления в два раза по сравнению с номинальным значением (см. рис. 3.33). Для неровностей имеющих одинаковые параметры (s=40мм) изменение kш составляет более 18% при нагрузке Pz=4000Н.
Так же влияние на коэффициент демпфирования шины kш оказывает форма неровностей. Это видно при сравнении полученных результатов на примере впадины и выступа. Помимо формы, влияние на kш оказывают размеры неровностей (рассмотрено влияние длины неровности s при одинаковой высоте q). При pw=0,2 МПа для этих двух типов неровностей при одинаковых параметрах нагружения и длины неровности s коэффициент демпфирования шины kш отличается до 14%. Следует отметить, что при давлении воздуха в шине ниже номинального в два раза (pw=0,1МПа) длина неровности в виде впадины прямоугольного сечения s оказывает незначительное влияние на kш (рис. 3.33). Оно составляет менее 5%.
1. Созданная нелинейная (физически и геометрически) трехмерная модель автомобильной пневматической шины учитывает основные особенности конструкции, гиперупругие несжимаемые свойства резины, эквивалентным образом отражает армирование шины (каркас, опоясывающее кольцо, бортовую проволоку), позволяет исследовать контактное взаимодействие шины с твердой опорной поверхностью, имеющей неровности произвольной формы. Адекватность разработанной расчетной конечно-элементной модели шины подтверждена экспериментально. Разработана динамическая модель качения колеса с учетом приложения линейных и вращательных условий нагружения.
2. Решены квазистатические задачи взаимодействия шины с различными типами неровностей, в результате чего установлено, что форма неровностей (при одинаковых размерах, длине и высоте, у различных неровностей) оказывает влияние на деформацию шины до 30-35%. 3. Установлено, что на сглаживающую способность шины, наряду с условиями нагружения (вертикальная нагрузка и внутреннее давление воздуха в шине), существенное влияние оказывает форма неровности. Разница деформации шины при взаимодействии с неровностью цилиндрической формы и неровностью прямоугольного сечения достигает 20% при давлении воздуха в шине 0,1МПа (что составляет 50% от номинального давления) и нагрузки на колесо 3500Н (68% от номинальной). Исследование влияния формы неровностей на радиальную жесткость шины позволило установить, что наибольшая деформация шины достигается на неровностях треугольной формы при длинах неровностей порядка 20% от длины пятна контакта, которая может достигать 42% прогиба шины на плоскости.
4. Расчеты показали, что на коэффициент демпфирования значительно влияют давление воздуха в шине и форма неровности. Например, снижение давления в два раза от номинального (0,2МПа) на неровности в виде впадины привело к уменьшению коэффициента на 18%. Изменение формы неровности с впадины на выступ (обе неровности одной длины) изменило численное значение рассматриваемого коэффициента на 14%. Изменение нормальной нагрузки, приходящейся на ось колеса, в два раза вызвало изменение коэффициента демпфирования не более чем на 8%.
Выявлены закономерности сглаживания неровностей пневматической шиной прямоугольных выступающих неровностей и прямоугольных впадин на опорной поверхности колеса. Для показателей, отражающих сглаживающую способность шины: и , зависимости, связывающие эти показатели, аппроксимированы для выступающей неровности логарифмической функцией, для впадины – линейной. Глава 4. Экспериментальные исследования сглаживающей способности шин
Цель экспериментальных исследований Целью экспериментальных исследований является проверка адекватности разработанного расчетного метода - методики расчета показателей взаимодействия автомобильной радиальной шины опорной поверхностью и определение ее сглаживающей способности в зависимости от давления воздуха в шинах и параметров неровностей опорной поверхности с обоснованием возможности практического применения разработанной методики. В качестве основного показателя сглаживания неровности используется отношение прогибов шины на ровной поверхности и прогиб шины при взаимодействии с неровностью .
