Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы повышения плавности хода АТС за счет улучшения характеристик подвески и шин 9
1.1. Анализ развития и современного состояния и применения шин с большой высотой профиля 9
1.2 Общие сведения о плавности хода подвижного состава автомобильного транспорта 15
1.3 Сглаживающая и поглощающая способности пневматических шин мобильных колесных машин 22
1.4. Направления совершенствования подвески и шин ПС 28
1.5. Синтез необходимых упругодемпфирующих свойств
1.6. Статическая и динамическая радиальная жесткость пневматической шины 35
1.7. Колесо с внутренней пневматической демпфирующей системой 41
1.8. Выводы по разделу 1 и задачи исследования 46
2 Разработка теории колеса с внутренней пневматической демпфирующей системой 47
2.1. Разработка математической модели динамики внутренней оболочки
с маятниковым гасителем крутильных колебаний (МГКК) 47
2.2. Эффективная площадь пневматической шины закон ее изменения при вертикальной деформации 50
2.3. Расчет соотношения динамической и статической жесткости пневматической шины 60
2.4. Разработка математической модели шины с пневматической демпфирующей системой для выявления ее поглощающих свойств 63
2.5. Алгоритм оптимального управления коммутацией объемов шины с ВПДС 69
2.6. Выводы по разделу 2 76
3 Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование виброзащитных свойств шины и динамики элементов ВПДС 77
3.1. Экспериментальное исследование виброзащитных свойств пневматических шин 77
3.1.1. Универсальный динамический испытательный стенд 77
3.1.2. Экспериментальное исследование колеса с пневматической шиной трактора «Беларусь» 80
3.1.3. Экспериментальное исследование виброзащитных свойств шины с ВПДС на ее физической модели 83
3.2. Расчетно-теоретическое исследование виброзащитных свойств обычной шины и шины с ВПДС 86
3.3. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний 94
3.4. Выводы по разделу 3 99
4 Разработка и обоснование предложений по совершенствованию конструкции колеса с ВПДС 100
4.1. Колесо с внутренней пневматической демпфирующей системой 100
4.2. Расчёт экономической эффективности предложенных технических решений 102
Заключение 107
Список литературы 109
Приложение 124
- Общие сведения о плавности хода подвижного состава автомобильного транспорта
- Направления совершенствования подвески и шин ПС
- Эффективная площадь пневматической шины закон ее изменения при вертикальной деформации
- Универсальный динамический испытательный стенд
Введение к работе
Актуальность. Шины являются единственными элементами АТС, взаимодействующими с опорной поверхностью. В настоящее время производится и эксплуатируется большое количество колесных бесподвесочных машин (КБМ): тракторов, комбайнов и других сельскохозяйственных, строительно-дорожных и специальных колесных машин, у которых защиту остова от вибрации, возникающей в результате взаимодействия колес с неровностями дороги, осуществляют только пневматические шины. При высокочастотном возмущении шины существенно ослабляют вибрации, а на резонансных частотах – резко усиливают (в 10 и более раз). Опыт эксплуатации КБМ и проведенные исследования показывают, что при выполнении транспортной работы они имеют недостаточную плавность хода и не обеспечивают соблюдение норм вибронагруженности оператора даже при движении по усовершенствованным дорогам. Причиной этого являются низкие виброзащитные свойства шин, которые обусловлены их слабой способностью поглощать энергию вертикальных колебаний кузова. Оператор для уменьшения действующей на него вибрации, а также для обеспечения безопасности движения вынужден снижать скорость движения машины, что ухудшает топливную экономичность, уменьшает производительность и эффективность ее использования. Колебания сельскохозяйственных машин, работающих на полях, увеличивают давление шин на почву, что снижает урожайность. При длительном воздействии вибрации у операторов машин часто возникают профессиональные заболевания, что снижает престижность их профессии. Из-за малой скорости КБМ создают заторы на дорогах, что приводит к повышению аварийности, снижению пропускной способности дорог и уменьшению эффективности функционирования автомобильного транспорта. С ростом числа КБМ проблема усугубляется. В связи с этим, тема диссертации, направленная на повышение виброзащитных свойств шины, является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. В работах профессора Н.Н. Яценко и других ученых установлено, что относительный коэффициент затухания, которым оценивается поглощающая способность шин, весьма мал. Для нев-ращающихся шин он находится в пределах = 0,03…0,05. С увеличением скорости качения машины, вследствие уменьшения влияния гистерезиса в материале шины на гашение вертикальных колебаний остова машины, относительный коэффициент затухания уменьшается еще в 3…5 раз. Требуемый по плавности хода оптимальный относительный коэффициент затухания должен быть = 0,15…0,25. Таким образом, для повышения плавности хода и скорости движения КБМ необходимо повысить поглощающие свойства шин в 15 раз без увеличения коэффициента сопротивления качению. Н.Н. Яценко считал эту задачу очень важной, открывающей широкие перспективы использования КБМ, но невыполнимой.
В 1998 году профессор И.М. Рябов нашел конструктивное решение этой задачи и получил патент № 2108240 РФ, МКИ 6 В 60 С 17/00 на колесо транспортного средства, шина которого содержит внутреннюю пневматическую демпфирующую систему (ВПДС). Она выполнена в виде установленной на ободе с возможностью осевого вращения внутренней оболочки с усеченной нижней частью, полость которой сообщается с полостью шины через клапаны и дросселирующие отверстия.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту кафедры автоматических установок ВолгГТУ Алексею Владимировичу Поздееву за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.
Однако предложенное колесо было недостаточно исследовано, не были разработаны теория и методика оптимизации параметров элементов ВПДС, не было установлено, какое повышение виброзащитных свойств шины оно может обеспечить, а также не была исследована динамика внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний.
Цель диссертационной работы – выявление возможного повышения виброзащитных свойств шины за счет внутренней пневматической демпфирующей системы (ВПДС) при оптимизации параметров ее элементов и совершенствование этой системы.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи работы:
-
разработать математическую модель динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний, позволяющую оптимизировать параметры оболочки и гасителя;
-
определить закон изменения эффективной площади шины при ее радиальной деформации, необходимый для разработки модели шины с ВПДС;
-
разработать математическую модель шины с ВПДС, позволяющую выявлять виброзащитные свойства шин и влияние на них различных факторов;
-
разработать на базе релаксационной пневматической подвески физическую модель шины с ВПДС и физическую модель внутренней оболочки с динамическим гасителем, а также методики их исследования;
-
провести расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний и виброзащитных свойств шины с ВПДС и анализ полученных результатов;
-
разработать и обосновать предложения по совершенствованию конструкции колеса с ВПДС с целью повышения виброзащитных свойств шины и дать оценку эффективности практического использования колеса с повышенными виброзащитными свойствами.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые:
– введено понятие «эффективная площадь шины», и определен закон ее изменения при радиальной деформации шины;
– доказано, что динамическая статическая жесткости шины практически равны вследствие роста эффективной площади при сжатии шины;
– разработаны математические и физические модели, позволяющие выявлять виброзащитные свойства шины с ВПДС и оптимизировать параметры элементов ВПДС;
– обосновано новое техническое решение колеса с ВПДС (заявка № 2014100224 от 9.01.14), позволяющее повысить виброзащитные свойства шины.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке теории колеса с ВПДС.
Практическая значимость работы состоит в следующем: – разработанные в диссертации положения теории представляют методологическую основу для проектирования колес с ВПДС для различных транспортных средств, в том числе военных машин; – разработанные методики и результаты экспериментальных исследований по определению виброзащитных свойств обычных шин и шин с ВПДС доказали эффективность ВПДС и могут быть использованы для дальнейшего совершенствования этих систем;
– предложено и обосновано новое техническое решение колеса с ВПДС, позволяющие повысить виброзащитные свойства и возможности применения ВПДС;
– использование колес с ВПДС на различных транспортных средствах, в том числе военных, позволит повысить скорость их движения и снизить вибронагру-женность, что даст существенный экономический и социальный эффект РФ.
Методология и методы исследования. В диссертации применялись расчетно-теоретические и экспериментальные методы исследования с использованием стендовых и дорожных испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
-
теория колеса с воздушной пневматической демпфирующей системой;
-
методики стендовых и дорожных испытаний по определению виброзащитных свойств шин и динамики элементов ВПДС с использованием физических моделей;
-
результаты расчётно-теоретических и экспериментальных исследований виброзащитных свойств шин и динамики элементов ВПДС и их анализ;
-
разработанные с участием автора новые технические решения, позволяющие повысить виброзащитные свойства шин с ВПДС.
Достоверность и обоснованность полученных результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений термодинамики и теоретической механики, в частности теории колебаний, математической теории оптимального управления, стендовыми и дорожными испытаниями объектов исследования с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры, согласованием полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: ХII и XIII региональных конференциях молодых учёных (Волгоград, 2007 и 2009 г.), на ХIII международной отраслевой научно-практической конференции «Россия периода реформ» (20 – 22 мая, Волгоград, 2009), на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ в 2007 – 2014 гг.
Реализация работы. Результаты исследований используются при подготовке студентов по специальностям 190700 «Автомобильные перевозки», 190702 «Организация и безопасность движения».
Публикации: Содержание основных положений диссертационной работы опубликовано в ниже перечисленных 11-ти публикациях, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 1-м патенте РФ.
Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных результатов и заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 149 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 11 таблиц. Список использованной литературы включает 156 наименований.
Общие сведения о плавности хода подвижного состава автомобильного транспорта
Плавность хода подвижного состава (ПС) автомобильного транспорта и технологических колесных машин - это такое их эксплуатационное свойство, которое обеспечивает возможность выполнения технологических операций и длительной езды с высокой скоростью по различным дорогам без утомления транспортной вибрацией оператора и пассажиров, и порчи перевозимых грузов. Вопросам оценки и повышения плавности хода ПС посвятили свои работы большое количество отечественных и зарубежных ученых: Р.А. Акопян, A.M. Горелик, А.С. Горобцов, М.М. Грибов, Г.Е. Джохадзе, А.С. Дьяков, А.Н. Зотов, Б.А. Калашников, И.С. Керницкий, В.И. Колмаков, О.С. Кочетов, М.В. Ляшенко, В.В. Новиков, ЯМ. Певзнер, В.В. Пилипенко, А.В. Поздеев, И. М. Рябов, И.Ф. Сикач, А.В. Синев, Н.Я. Фаробин, Б.Н. Фитилев, Р.Н. Хамитов, В.И. Чернышев, B.I. Bachrach, W. Bauer, М. Berg, H.V. Deo, N. Docquier, C.Erin, V. Gavriloski, M. Goldfarb, J. Grajnert, M.W. Holtz, A.G. Kelkar, H.S. Kim, A.A. Kornhauser, B.T. Kulakowski, J.-H. Lee, I. Maciejewski, J.-H. Moon, A.L. Morales, A.J.Nieto, N. Oda, H. Poramamilla, G. Priyandoko, H. Pu, Z. Qin, G. Quaglia, H. Sayyaadi, X. Shen, N. Shokouhi, M. Sorli, Y. Sugahara, N.P. Sum, K. Toyofuko, и др. [2, 7, 12, 14, 19, 20, 25, 26, 27, 28, 32, 38, 39, 44, 50, 53-57, 64, 74, 87, 89, 92, 94, 97, 109, 113, 116, 123, 126, 132, 139, 144, 146, 150, 154].
Для оценки плавности хода ПС используются следующие параметры: - максимальные и среднеквадратические ускорения (вертикальные, горизонтальные) при колебаниях корпуса машины и их распределение по длине корпуса; - максимальные значения ускорений в отдельных точках; - критическая скорость по пробою подвески; - число пробоев на единицу пробега при движении с предельными скоростями и др. Кроме того, установлены следующие критерии комфортабельности колебаний ПС: 1) удельная мощность или интенсивность колебаний (критерий Паля); 2) число толчков и величина ускорений на 1 км пути (критерий Бронштейна); 3) производная ускорений (критерий Ден-Гартога); 4) среднеквадратические ускорения (по нормам ISO 2631-74 и ГОСТ 12.1.012-90). Критерий Паля характеризует плавность хода ПС по удельной энергии гармонических колебаний единичной массы в единицу времени: EyR=EJT = а2С03 /(471), [м2/с3], (1.1) где Е1 = \)2/2 = а2О)2 /2 - кинетическая энергия единичной массы; Т = 2ж1о) период колебаний; V, а и со - соответственно скорость, амплитуда и частота колебаний подрессоренной массы. Анализ формулы (1.1) показывает, что удельная энергия гармонических колебаний единичной массы в единицу времени пропорциональна квадрату амплитуды и кубу частоты колебаний кузова ПС. Поэтому для повышения плавности хода ПС необходимо снижать амплитуды колебаний в резонансе и резонансные частоты. По аналогии с акустикой интенсивность колебаний оценивают в относительных величинах за счет введения и установления величины порога ощущений: Р = lO-\g(Eya /Е0), где Е0 = 0,5 см2/с3 - порог ощущений. Величину Р=1 называют паль (п). При плавном ПС ходе - Р = 30...40 п., а при предельно допустимых колебаниях ПС - Р = 50.. .60 п. Плавность хода ПС можно оценить критерием Бронштейна, который устанавливает следующие параметры: 1.. .2 толчка с z = 3.. .5 м/с - хорошая плавность хода ПС; 10... 12 толчков с теми же ускорениями - удовлетворительная. Оценка плавности хода ПС по критерию Ден-Гартога учитывает темп изменения ускорения кузова ПС: z =25 м/с3 - беспокоящие воздействия; z 40 м/с3 -неприятные. Общепринятым параметром плавности хода ПС в настоящее время являются среднеквадратические ускорения. Они измеряются в абсолютных (м/с2) и отно 17 сительных (дБ) единицах. Для второго варианта расчет ведется по следующей зависимости: L = 20-lg(zc/z0),AB, где z0= 0,000314 м/с2 - ускорение порога чувствительности. В таблице 1.1 и рис. 1.8 приведены нормы для уровня предельно допустимой утомляемости, связанного с обеспечением безопасности (или здоровья) при длительности действия вибраций в течение 8-й часов. Для более точной оценки зависимости допустимых значений виброскоростей и виброускорений от частот колебаний октавные полосы делятся на 1/3-октавные. Для этого диапазон частот, составляющих октавы, делят на три и средние геометрические значения каждой третьоктавной полосы частот округляют. Для получения уровня допустимой утомляемости, не приводящего к снижению производительности труда, данные значения необходимо уменьшить в 2 раза или на 6 дБ, а для уровня комфорта, обеспечивающего возможность чтения, письма и употребления пищи во время движения нормативные среднеквадратиеские ускорения снижают в 6,3 раза или на 16 дБ.
Направления совершенствования подвески и шин ПС
В научно-исследовательских работах [50, 68, 87, 95 и др.] рассматриваются вопросы синтеза оптимальных систем управления подвеской автомобиля в соот-ветствии с выбранной целевой функцией, которые можно использовать для повышения поглощающих свойств шины. Большое внимание уделяется математическому описанию оптимальных алгоритмов управления. В настоящее время можно выделить четыре основных направления, по которым идёт совершенствование подвески и шин: 1) разработка оптимальных пассивных подвесок и шин с нерегулируемыми характеристиками для совокупности заданных условий эксплуатации; 2) разработка пассивных подвесок и шин с характеристиками, регули-руемыми в зависимости от режимов нагружения и условий движения; 3) разработка адаптивных и активных подвесок и шин, содержащих элементы (пневматические, гидравлические или электрические), к которым подводится энергия; 4) разработка гибридных подвесок, содержащих элементы активной и пассивной подвесок.
Пассивные подвески с нерегулируемыми характеристиками являются наиболее распространенными на практике системами виброзащиты. Этому способствует простота их устройства, относительно высокая надежность и то, что в процессе эксплуатации они не требуют обслуживания в виде настройке характеристик в зависимости от режимов нагружения и условий эксплуатации, а также подвода внешней энергии. Однако потенциальные виброзащитные возможности таких подвесок ограничены и часто недостаточны, что хорошо видно из анализа АЧХ гармонических колебаний груза на пассивной подвеске с разным уровнем демпфирования (кривые 1 и 3 на рис. 1.13).
По крайней мере, главный вывод из анализа этих кривых можно сформули-ровать следующим образом: - для расширения полосы частот эффективной виброзащиты в пассивных системах с демпферами, имеющими линейную характеристику, необходимо сни-жать резонансную частоту, т. е. жесткость подвески, что не всегда возможно; - увеличение демпфирования, приводящее к уменьшению амплитуды резонансного всплеска АЧХ простой виброзащитной системы, снижает эффективность виброзащиты в зарезонансной области частот. Следует также отметить, что снижение резонансной частоты без уменьшения коэффициента относительного демпфирования колебательного звена снижает уровень виброускорений, действующих на объект виброзащиты, Это объясняется тем, что при одной и той же амплитуде резонансного всплеска амплитудно-частотной характеристики ускорение с уменьшением частоты уменьшается пропорционально квадрату частоты. Поэтому уменьшение резонансной частоты в пассивных системах виброзащиты является эффективным средством уменьшения вредного воздействия вибрационного возмущения со стороны основания (остова машины). Резонансную частоту можно уменьшить, если увеличить подрессорен-ную массу при сохранении жесткости или уменьшить жесткость упругого элемента при неизменном значении подрессоренной массы. Снизить резонансную частоту бесподвесочной машины можно путем снижения давления в шинах до мини-мально допустимого значения. В результате с увеличением скоростей движения, особенно по неровным дорогам, такие подвески не обеспечивают соблюдения норм вибронагруженности не только людей, но и некоторых виброчувствительных грузов. Пассивные подвески с регулируемыми характеристиками в отличие от нерегулируемых подвесок обеспечивают значительно более высокие виброзащитные свойства (кривая 6 на рис. 1.13). Среди них известны подвески с ручным и автоматическим управлением. При этом только автоматическое управление является адаптивным к постоянно меняющимся условиям эксплуатации. В настоящее время на некоторых зарубежных автомобилях высшего класса (Ситроен, Мерседес и др.) уже применяются автоматические системы с компьютерным управлением. Однако более широкое применение таких систем сдерживается необходимостью усложнения конструкции автомобиля и значительным повышением его стоимости. В связи с этим актуальна задача по разработке более простых и недорогих пассивных подвесок с саморегулируемыми за счет энергии колебаний характери-стиками. Кроме того, делаются попытки создания упругих элементов с прогрессирующим изменением жесткости, в которых в точке нейтрального положения жесткость вообще равна нулю. Это позволяет выполнить подвеску, практически полностью защищающую оператора от вибровозмущений малой амплитуды во всем диапазоне частот. Активные виброзащитные системы представляют собой следящие системы, которые осуществляют движение каркаса и объекта виброзащиты в противофазе относительно вибрирующего основания. Эти системы стремятся обеспечить абсолютную в вертикальном направлении неподвижность объекта виброзащиты при наличии вертикальных перемещений основания. Несмотря на относительную сложность и более высокую стоимость по сравнению с пассивными системами, активные системы виброзащиты имеют ряд достоинств: возможность защиты оператора от низкочастотных возмущающих воздействий; высокая статическая и динамическая жесткость, благодаря чему эти системы практически не чувствительны к весу объекта виброзащиты и нагрузкам, связанные с изменением усилий, действующих на каркас виброзащитной системы; незначительная зависимость ха-рактеристик, определяющих виброзащитные свойства, от массы объекта виброзащиты. В основном активные виброзащитные системы выполняются с управлением по: отклонению, возмущающему воздействию, возмущающему ускорению и возмущающему виброперемещению. Активные подвески с подводом внешней энергии от двигателя обеспечивают очень высокую степень виброзащиты на низких частотах (кривая 4 на рис. 1.13), но на высоких частотах вследствие инерци-онности системы регулирования положения кузова их эффективность становится ниже пассивных подвесок. Активные виброзащитные системы, созданные к настоящему времени, обеспечивают эффективную виброзащиту в области частот 0,8...5 Гц. Ограничение по низким частотам обусловлено предельной чувствительностью датчиков и преобразователей, а по высоким частотам - предельными динамическими возможностями исполнительных механизмов. Применение активных систем виброзащиты в шине весьма актуально и даст большой эффект, поскольку у бесподвесочной машины нет высокочастотного резонанса.
В настоящее время стали активно разрабатываться гибридные подвески. Создание систем защиты от широкополосной вибрации в настоящее время идет по пути последовательного соединения двух систем - активной и пассивной. Различают гибридные системы виброзащиты с верхним расположением пассивной виброзащитной системы (более распространены ввиду простоты компоновки) и нижним расположением пассивной виброзащитной системы. Параллельное соединение активной и пассивной виброзащитных систем не нашло широкого распространения вследствие высокой жесткости активных виброзащитных систем, которая является одним из важнейших достоинств последних. Такие подвески обеспечивают эффективную виброзащиту кузова в широком частотном диапазоне нагружения. Однако высокая стоимость активных и гибридных подвесок, вследствие применения сложной электроники и гидропневматических элементов повышенной надежности, а также использование энергии двигателя сдерживает их широкое применение. Поэтому необходима разработка других путей повышения виброзащитных свойств ПС.
Эффективная площадь пневматической шины закон ее изменения при вертикальной деформации
Рост сельскохозяйственного производства, промышленного и гражданского строительства, дальнейшее освоение отдаленных местностей в РФ требует увеличения количества колесных тракторов, комбайнов и других сельскохозяйственных, строительно-дорожных и специальных колесных бесподвесочных машин (КБМ). У этих машин защиту остова от вибрации, возникающей в результате взаимодействия колес с неровностями дороги, осуществляют только пневматические шины. При этом шины в зависимости от частоты возбуждения могут либо существенно ослаб-лять вибрации, либо значительно усиливать (в 10 и более раз) на резонансных частотах. Опыт эксплуатации КБМ и проведенные исследования показывают, что при выполнении транспортной работы они имеют недостаточную плавность хода и не обеспечивают соблюдение норм вибронагруженности оператора, склонны к раска-чиванию кузова при движении даже по усовершенствованным дорогам. Причиной раскачивания кузова машин является низкая поглощающая способность шин энергии вертикальных колебаний кузова. Оператор, для уменьшения действующей на него вибрации, а также обеспечения безопасности движения и вынужден снижать скорость движения машины, что ухудшает топливную экономичность, уменьшает производительность и эффективность ее использования. Раскачивание работающих на полях сельскохозяйственных машин, увеличивает давление шин на почву, что снижает урожайность. При длительном воздействии вибрации, у операторов машин часто возникают профессиональные заболевания, что снижает престижность их профессии. Из-за малой скорости КБМ создают заторы на дорогах, что приводит к повышению аварийности, снижению пропускной способности дорог и эффективности функционирования транспорта.
Степень разработанности темы исследования. В работах профессора Н. Н. Яценко и других ученых установлено, что относительный коэффициент зату 5 хания, которым оценивается поглощающая способность шин, весьма мал. Для нев-ращающихся шин он находится в пределах \/ = 0,03...0,05. С увеличением скорости качения машины вследствие уменьшения влияния гистерезиса в материале шины на гашение вертикальных колебаний остова машины, относительный коэффициент затухания уменьшается еще в 3.. .5 раз. Требуемый по плавности хода оптимальный относительный коэффициент затухания должен быть в пределах \/ = 0,15...0,25. Таким образом, для повышения плавности хода и скорости движения КБМ необходимо повысить поглощающие свойства шин в 15 раз без увеличения коэффициента сопротивления качению. Н.Н. Яценко считал эту задачу очень важной, открывающей широкие перспективы использования КБМ, но не выполнимой. В 1998 году профессор И.М. Рябов нашел конструктивное решение этой задачи и получил патент № 2108240 РФ, МКИ 6 В 60 С 17/00 на колесо транспортного средства, шина которого содержит внутреннюю пневматическую демпфирующую систему (ВПДС). Она выполнена в виде установленной на ободе с возможностью осевого вращения внутренней оболочки с усеченной нижней частью, полость которой сообщается с полостью шины через клапаны и дросселирующие отверстия. Однако предложенное колесо было недостаточно исследовано, не были разработаны теория и методика оптимизации параметров элементов ВПДС, не было установлено, какое повышение виброзащитных свойств шины оно может обеспечить, а также не была исследована динамика внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний. В связи с этим, тема диссертации, направленная на выявление возможного повышения виброзащитных свойств шин за счет ВПДС и совершенствование этой системы является актуальной. Цель диссертационной работы - выявление возможного повышения виброзащитных свойств шины за счет внутренней пневматической демпфирующей системы (ВПДС) при оптимизации параметров ее элементов, и совершенствование этой системы. Для достижения цели сформулированы следующие задачи работы: 1) разработать математическую модель динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний, позволяющую оптимизировать параметры оболоч 6 ки и гасителя; 2) определить закон изменения эффективной площади шины при ее радиальной деформации необходимый для разработки модели шины с ВПДС; 3) разработать математическую модель шины с ВПДС, позволяющую выявлять виброзащитные свойства шин и влияние на них различных факторов; 4) разработать на базе релаксационной пневматической подвески физическую модель шины с ВПДС и физическую модель внутренней оболочки с динамиче-ским гасителем, а также методики их исследования; 5) провести расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных и виброзащитных свойств шины с ВПДС и анализ полученных результатов; 6) разработать и обосновать предложения по совершенствованию конструкции колеса с ВПДС с целью повышения виброзащитных свойств шины и дать оценку эффективности практического использования колеса с повышенными виброзащитными свойствами. Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые: 1) введено понятие «эффективная площадь шины» и определен закон ее измене-ния при радиальной деформации шины; 2) доказано, что динамическая статическая жесткости шины практически равны вследствие роста эффективной площади при сжатии шины; 3) разработаны математические и физические модели, позволяющие выявлять виброзащитные свойства шины с ВПДС и оптимизировать параметры элементов ВПДС. 4) обосновано новое техническое решение колеса с ВПДС (заявка № 2014100224 от 9.01.14), позволяющее повысить виброзащитные свойства шины. Теоретическая значимость работы состоит в разработке теории колеса с ВПДС. Практическая значимость работы состоит в следующем: 1) разработанные в диссертации положения теории представляют методологи-ческую основу для проектирования колес с ВПДС для различных транспортных средств, в том числе военных машин; 2) разработанные методики и результаты экспериментальных исследований по определению виброзащитных свойств обычных шин и шин с ВПДС доказали эффективность ВПДС и могут быть использованы для дальнейшего совершенствования этих систем; 3) предложено и обосновано новое техническое решение колеса с ВПДС, позволяющие повысить виброзащитные свойства и возможности применения ВПДС; 4) использование колес с ВПДС на различных транспортных средствах в том числе военных, позволит повысить скорость их движения и снизить вибронагру-женность, что даст существенный экономический и социальный эффект РФ.
Универсальный динамический испытательный стенд
Пневматическая шина появилась значительно раньше, чем первый автомобиль [23]. Началом конструктивной эволюции шин можно считать 10 июня 1846 года, когда в Лондоне молодой человек из Шотландии Роберт Уильям Томсон (Robert William Thomson) получил патент № 10990 на изобретение «Воздушное колесо». Томсон дал очень простое и понятное описание сущности изобретения: «Суть моего изобретения состоит в применении эластичных опорных поверхностей вокруг ободьев колес экипажей с целью уменьшения силы, необходимой для того, чтобы тянуть экипажи, тем самым облегчая движение и уменьшая шум, который они издают при движении». Колесо имело деревянные спицы, а шина состояла из камеры и наружного покрытия. Камера изготавливалась из нескольких слоев парусины, пропитанной с обеих сторон натуральным каучуком. Наружное покрытие состояло из соединенных заклепками кусков кожи. В патенте есть описание клапана, через который в камеру закачивают воздух.
Изобретение Томсона оказалось невостребованным, поскольку никто не довел его до массового производства и после смерти автора в 1873 году «Воздушное колесо» было забыто. Только через 42 года 23 июля 1888 года опять шотландец Джон Данлоп (John Dunlop) получил патент № 10607 на изобретение «Пневматический обруч для транспортных средств». В 1889 году гонщик на велосипеде с шинами Данлопа выиграл все заезды. После этого началось коммерческое освоение изобретения. В настоящее время фирма Dunlop - одна из крупнейших на планете по изготовлению шин. Шины непрерывно совершенствуются, и ежегодно на новые конструкции шин выдаются десятки патентов, однако анализ современных шин показывает, что за прошедшие со дня изобретения 168 лет конструкция шины принципиально не изменилась. Как, в пионерном изобретении Томсона шина - это эластичная оболочка, образующая эластичные опорные поверхности вокруг ободьев, заполненная сжатым воздухом. В настоящее время без шин немыслимо создание скоростных автотранспортных средств.
Развитие конструкции шин пошло по двум направлениям: разработка все более низкопрофильных шин для хороших дорог и шин большой высотой профиля для плохих дорог и бездорожья. Появление шин с большой высотой профиля позволило отказаться от использовании рессорной подвески, т.е. создавать бесподвесочные машины, имеющие более простую конструкцию. В настоящее время созданы, эксплуатируются и непрерывно совершенствуются различные мобильные колесные машины, имеющие шины с большой высотой профиля. Во-первых, это, так называемые бесподвесочные машины: колесные тракторы, комбайны, сельскохозяйственные, строительно-дорожные и специальные машины. Эти машины широко используются на транспортных работах сельскохозяйственных, строительных и других работах (рис. 1.1 - 1.4). Во-вторых - это машины, имеющие подвеску: большегрузные автосамосвалы, различные армейские машины, в том числе подвижные ракетные комплексы (рис. 1.5 - 1.7), для которых очень остро стоит задача повышения скорости движения по разбитым грунтовым дорогам и местности при обеспечении сохранения перевозимого изделия и работоспособности экипажа. Проведенными исследованиями установлено, что на плавность хода машин, имеющих подвеску и шины с большой высотой профиля, наибольшее влияние оказывают именно характеристики шин - динамическая жесткость, сглаживающая и поглощающая способности [39, 75, 83, 99]. Опыт эксплуатации бесподвесочных машин и проведенные исследования показывают, что при выполнении транспортной работы они имеют недостаточную плавность хода и не обеспечивают соблюдение норм вибронагруженности оператора, даже при движении по усовершенствованным дорогам. Причиной этого является низкие виброзащитные свойства шин, их неспособность поглощать 11 энергию вертикальных колебаний кузова. Оператор, для уменьшения действующей на него вибрации, а также обеспечения безопасности движения и вынужден снижать скорость движения машины, что ухудшает топливную экономичность, уменьшает производительность и эффективность ее использования. Колебания сельскохозяйственных машин, работающих на полях, увеличивают давление шин на почву, что снижает урожайность. При длительном воздействии вибрации, у операторов машин часто возникают профессиональные заболевания, что снижает престижность их профессии. Из-за малой скорости бесподвесочные машины создают заторы на дорогах, что приводит к повышению аварийности, снижению пропускной способности дорог и эффективности функционирования транспорта. В связи с этим исследования, направленные на повышение поглощающих свойств шин является актуальными.
