Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса, цель И задачи исследования 9
1.1. Причины повышенного износа шин 12
1.2. Нормативно-технологическое обеспечение параметров углов установки управляемых колес,регулируемых в период эксплуатации легковых автомобилей 34
1.3. Особенности эксплуатации автомобилей в условиях города 41
1.4. Цель и задачи исследования 43
Глава 2. Теоретическое исследование влияния соотношения углов поворота управляемых колес на износ шин 50
2.1. Условие минимального износа шин для установившегося движения автомобиля на повороте 66
2.2. Аналитическая зависимость износа шин управляемых колес при изменении соотношения углов их поворота ?2
2.3. Критерий рационального соотношения углов поворота ^
2.4. Анализ пространственной кинематики разрезной рулевой трапеции 100
Глава 3. Результаты экспериментадьного исследования.. Ц2
3.1. Режимы движения легковых автомобилей на поворотах в городских условиях эксплуатации ИЗ
3.2. Влияние соотношения углов поворота на работу трения - скольжения в зоне пятна контакта 126
3.2.1. Методика дорожных испытаний 134
3.2.2. Результаты эксперимента 136
3.3. Изменение соотношения углов поворота управляемых колес автомобиля ГАЗ-24 в эксплуатации 150
3.4. Снижение износа шин за счет регулировки соотношения углов поворота автомобиля ГАЗ-24 158
Глава 4. Практическая реализация результатов исследо вания 16?
4.1. Метод обеспечения рационального соотношения углов поворота в эксплуатации и технология его регулировки 167
4.2. Рекомендации по обеспечению рационального -соотношения углов поворота на стадии проекта , 173
4.3. Экономический эффект от использования результатов исследования 177
Выводы 180
Используемые источники
- Нормативно-технологическое обеспечение параметров углов установки управляемых колес,регулируемых в период эксплуатации легковых автомобилей
- Аналитическая зависимость износа шин управляемых колес при изменении соотношения углов их поворота
- Влияние соотношения углов поворота на работу трения - скольжения в зоне пятна контакта
- Рекомендации по обеспечению рационального -соотношения углов поворота на стадии проекта
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС определены задачи автомобильного транспорта в текущей пятилетке и на перспективу / I /. При этом известные ограничения на яодвиншой состав, рабочую силу, топливо-энергетические и сырьевые ресурсы обусловливают необходимость всесторонней интенсификации производства, развития и внедрения достижений науки и техники в народное хозяйство. К числу проблемных задач, имеющих большое народно-хозяйственное значение, относится повышение эффективности использования автомобильных шин.
На ее решение направлены силы шинных и автомобильных заводов головных отраслевых институтов НИИШГї НАМИ и ведущих вузов страны. Вопросам совершенствования конструкции шйн и автомобилей, а такЕе обеспечения их эксплуатационной надежности и долговечности всегда уделялось большое внимание отечественных и зарубежных ученых / 4, 9, 21, 26, 27, 34, 39, 46, 54, 60, 69, 72, 88, 90, 94, 96, 104, 108, ПО /.
В сфере технической эксплуатации, имеющей дело с готовой продукцией автомобильных и шинных заводов, решение этой проблемы определяется возможностями автотранспортных предприятий (АТЇЇ) до реализации внутрихозяйственных резервов при неуклонном повышении уровня технического состояния автомобилей и сокращения производственных затрат. Поэтому Уставом автомобильного транспорта РСФСР / 2 / предусмотрено, что "Автотранспортные предприятия и организации обязаны ... изыскивать дополнительные резервы для снижения себестоимости и повышения рентабельности перевозок".
Расход автошин в эксплуатации оказывает непосредственное влияние на формирование себестоимости перевозок. В связи с чем многими учеными исследовались пути и возмокности снижения потреб-
ности АТІІ в шинах / 6, II, 12, 19, 22, 52, 63, 80, 87, и др. /. Однако вопрос полной реализации ресурса автошин в эксплуатации еще остается нерешенным.
Так, по данным Технического Управления Мосавтолегтранса в предприятиях, эксплуатирующих легковые автомобили ГАЗ-24 "Волга", около 20% шин списывается с недопробегом, основная причина которого - односторонний износ протектора.
Это положение определило цель диссертации - сокращение потребности АТП в шинах за счет снижения их одностороннего изно-са - и тематику работы, которая решением Моогорисполкома №3393 от 18 ноября 1980 года была включена в "План научно-исследовательских работ и внедрения достижений науки и техники в городское хозяйство Москвы на 1981 г." и проводилась в течение ряда лет кафедрой "Эксплуатация автомобильного транспорта" МАДИ в предприятиях Мосавтолегтранса.
Причиной неравномерного износа шин является техническое состояние автомобиля, влияющее на установку колеса и его нормальную работу / 24, 80 /. Детальное обследование шин, снятых с эксплуатации, показало, что односторонний износ протектора наблюдается практически у Ь0% шин, направляемых в восстановление.
Данное обстоятельство подтвердило мнение о наличии постоянно действующего фактора, вызывающего нарушение нормального режима качения колес автомобиля, а предварительные исследования позволили выработать рабочую гипотезу о причастности соотношения углов поворота управляемых колес к образованию одностороннего износа шин.
Отсутствие объективной информации о влиянии соотношения углов поворота на износ шин определило позицию технической службы АТП к данному параметру как к второстепенному, малозначащему
фактору. Несмотря на то, что по физическому смыслу соотношение выполняет при повороте автомобиля функции сховдекия, значимость которого на износ общеизвестна, рассматриваемый параметр углов установки в АТП не регулировался.
Анализ первичной информации позволил вскрыть объективные причины отсутствия регулировочных воздействий, показал несостоятельность существующего в эксплуатации норматива на соотношение углов поворота и слабость технологического обеспечения при проведении контрольно-регулировочных работ.
Из литературных источников известно, что данный параметр недостаточно изучен и на стадии проектирования рациональной формы рулевой трапеции. Что объяснялось отсутствием данных о характерных реншмах движения автомобилей на поворотах и методик, определяющих точечное значение соотношения и величину угла поворота внутреннего колеса при совпадении которых обеспечивается минимальный износ шин.
Поэтому в диссертаций с целью сокращения потребности АТП в шинах за счет снижения их одностороннего износа, решался комплекс задач по вопросам обеспечения рационального соотношения углов поворота на стадии проектирования и в сфере эксплуатации. В связи с чем общей методикой предусматривалось:
исследовать причины образования одностороннего износа шин, возникающего в городских условиях эксплуатации;
исследовать влияние на износ шин соотношения углов поворота управляемых колес и создать методику определения его рациональной величины для типичных условий эксплуатации:
разработать математическую модель поворота управляемых колес и выявить закономерность изменения соотношения углов их поворота в зависимости от геометрических параметров подвески и рулевой трапеции;
- разработать нормативно-технологическую базу,обеспечивающую регулировку соотношения углов поворота колес легкового автомобиля с использованием средств диагностики.
Представленные исследования входят в целевую программу ГІШТ ОМ 0J0P 054.04 "Разработать и внедрить прогрессивные технологические методы ТО и ремонта автомобилей с применением диагностирования" - раздел 04,02 "Использование диагностики для оперативного управления эксплуатационными свойствами автомобилей (ресурсом шин)" и связаны с научно-исследовательской работой иЛАДИ (№ ГР 77024635 и Ус ГР 80010433), направленной на повышение эффективности использования автошин.
Научная новизна провепенных исследований состоит в том, что - впервые доказана соизмеримость влияния соотношения углов поворота управляемых колес и схоадения на интенсивность износа шин. Разработана методика определения рациональной величины соотношения углов поворота, которая может быть рекомендована при проектировании рулевой трапеции. Установлена закономерность изменения соотношения углов поворота в эксплуатации и разработана новая нормативно-технологическая база, обеспечивающая прозедение контроля и регулировки соотношения в соответствии с регламентированной периодичностью.
Практическая ценность заключается в разработке технологии регулировки соотношения углов поворота, внедрение которой позволяет снизить образование одностороннего износа протектора и сократить расход шин в АТЇЇ до 4%. Выявлен такав характерный вид износа протектора при нарушенной регулировке соотношения углов поворота колес, позволяющий осуществлять визуальный контроль за состоянием данного параметра в эксплуатации.
На защиту выносится нормативно-технологическое обеспечение рационального соотношения углов поворота колес легкового автомобиля в эксплуатации и метод расчета его величины при проек-
тированщ рулевой трапеции.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Эксплуатация автомобильного транспорта" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института.
Экспериментальные исследования проводились в предприятиях Управления легкового автомобильного транспорта Моогорисполкома.
По материалам исследования опубликовано 5 статей и составлено 2 научно-исследовательских отчета.
Основные полокенйя и результаты исследований доложены И обсуждены на XL научно-исследовательской конференции І'/ІАДИ (1982 г.), на конференции молодых ученых МАДИ (1982 г.), на Всесоюзной научно-технической конференций ТАДИ (1982 г., Ташкент), на XLI научно-исследовательской конференции МАДИ (1983 г.). Диссертация заслушивалась на заседании кафедры эксплуатации автомобильного транспорта МАДИ в 1983 году.
Результаты, исследования и внедрения разработанной технологии обеспечения рационального соотношения углов поворота автомобилей ГАЗ-24 в эксплуатации долокены, обсукдеш и одобрены на техническом совете Мосавтолегтранса в І979-І98І гг.
Автор глубоко признателен инженерно-техническому персоналу Управления Мосавтолегтранс, водителям и рабочим 14 таксомоторного парка за существенную помощь, оказанную при проведении экспериментальной части работы и ее практической реализации.
Нормативно-технологическое обеспечение параметров углов установки управляемых колес,регулируемых в период эксплуатации легковых автомобилей
Использование в практической деятельности технической службы АТП контрольно-измерительной аппаратуры позволяет достаточно точно и эффективно оценивать техническое состояние автомобиля и обнаруживать неисправности. На современном этапе развития автомобильного транспорта техническое обслуживание автомобилей характеризуется относительно быстрым ростом оснащенности предприятий диагностическим оборудованием отечественного и зарубежного производства, созданием специализированных постов и участков диагностирования. Это ставит перед специалистами ряд важных практических задач, связанных не только с грамотной эксплуатацией дорогостоящего оборудования, но и с рацио нальшм его использованием. Эффективность использования диагностического оборудования во многом зависит от нормативно-технологического обеспечения всех работ по контролю параметров технического состояния автомобильных конструкций.
Проверка углов установки управляемых колес является ватным элементом технического обслукивания современных легковых автомобилей. Отклонение данных параметров от нормы в процессе эксплуатации, кроме увеличения интенсивности износа шин, ухудшает И эксплуатационные качества автомобилей, такие как топливная экономичность, управляемость, маневренность и устойчивость автомобилей. В Советском Союзе и эа рубеком используется большой ассортимент стендов и приборов для проверки углов установки. Они отличаются принципами действия, многообразием конструктивных решений, внешним оформлением и т.п.
При контроле углов установки применяются динамические стенды, стационарные и переносные приборы / 80 /.
В настоящее время все более широкое признание завоевывают динамические стенды, на которых в процессе контроля имитируются условия работы колес автомобиля. Эти стенды классифицируются по измеряемым параметрам, но геометрии опорных и типу воспринимающих устройств, а танке по конструктивным признакам.
По измеряемым параметрам стенды делятся на замеряющие боковое усилие в пятне контакта и на фиксирующие положение плоскости качения колеса. С помощью первых измеряют величину боковой силы, зависящую от значений развала и схокдения, и по величине этого усилия судят о правильности установки колес. С помощью вторых непосредственно замеряют величины углов схождения и развала.
Стенда, позволяющие определять боковую силу в пятне кон такта, отличается своей простотой, поскольку на них не надо определять величину какдого параметра, а сразу учитывается Их совместное действие. Б связи с тем, что на грузовых автомобилях регулируется только схождение, стенды типа КИ-4872 получают все большее распространение в АТП, эксплуатирующих грузовые автомобили. На постах диагностики, изменением угла схода управляемых колес добиваются нормативной величины бокового усилия на обоих колесах автомобиля, оптимальной по износу шин.
Однако, как показано в монографии А.Г.Сергеева, различные авторы и автомобильные заводы рекомендуют оптимальные значения боковой силы в широких пределах от -4,3 до 11,7, даже для шин мало отличающихся друг от друга размерами и характеристиками /70 /
Видимо, протекание процесса износа шин зависит не только от боковой силы, а и от величины результирующего момента, возникающего в зоне контакта под действием перераспределения касательных и нормальных напряжений в зоне контакта, что подтверждается рядом исследований, например, полученных к.т.а. Н.Кислициным и проф. Е.Михайловским /29 /.
Стенды, позволяющие замерить значения всех параметров углов установки, при качении управляемых колес, еще не получили распространения из-за своей дороговизны, неудобства в работе, невозможности проведения регулировки на этом же посту и т.д. Таким образом, на сегодняшний день при контроле углов установки легковых автомобилей в основном используются как у нас, так и за рубежом стационарные стенды, которые дают хорошую точность получаемых результатов.
Аналитическая зависимость износа шин управляемых колес при изменении соотношения углов их поворота
Исследование разнообразных условий эксплуатации и множества факторов, влияющих на режим работы автомобиля, всегда привлекало внимание специалистов конструкторов и эксплуатационников.
Трудно представить надежно работающий механизм автомобиля, созданный без учета эксплуатационных факторов. Не зная типичных условий работы подвижного состава невозможно было бы выбрать правильную периодичность обслукивания, дифференцировать факторы по их влиянию на техническое состояние автомобиля и совершенствовать технологические и методические процессы его диагностирования.
Изучение характерных условий эксплуатации и режимов работы автомобиля, агрегатов, узлов и деталей, в основном, проводится статистическими методами. При этом величины исследуемых параметров (например, угол поворота руля, скорость движения И т.д.), полученные в процессе испытаний, делятся до интервалам, которые распределяются по пути или времени, что позволяет определить статистические закономерности их изменения.
Такие исследования проводятся на заводах автомобильной промышленности, НАМИ, МАДИ, НИИАТ и в других организациях и вузах страны, таких как БЇЇИ, НИДМАШ Белорусской Академии Наук, КАДИ, ТАМ, ЛИСИ, МАМИ.
Для городских условий эксплуатации характерны нормирован ность движения и высокая плотность транспортных потоков при интенсивном движении на дорогах с усовершенствованным асфаль-то-бетонным прокрытием и относительно частыми поворотами. Влияние этих факторов на режим работы автомобилей очевидно.
Что касается работы автомобильной шины, то на ее износ прежде всего будут влиять число торможений и трогании с места, протяженность и величина поворотов, а также скорость их прохождения. С точки зрения технической эксплуатации целенаправленное воздействие при обслуживании автомобилей следует осуществлять на те параметры, влияние которых на износ шин зависит от частоты поворотов и скоростей движения.
Как известно, качение колеса с уводом сопровождается резким возрастанием износа протектора, а величина увода зависит от радиуса поворота и скорости движения автомобиля. Поэтому, знание насыщенности городских маршрутов поворотами поможет установить соответствие между износом шин на прямых и криволинейных участках. Кроме того, эти знания необходимы для оценки эффективности регулирования соотношения углов поворота управляемых колес, который оказывает влияние на износ шин только на поворотах.
Таким образом, для описания характерных особенностей эксплуатации автомобилей в условиях города, применительно к шинам, необходимо количественно оценить следующие факторы: - коэффициент насыщенности поворотами городских маршрутов, определяется отношением длины пути, пройденного автомобилем на поворотах, к общей протяженности маршрута; - частость распределения поворотов по их величине; - средняя скорость прохождения каждого поворота.
Естественно, что главной задачей является выбор маршрута. Учитывая большую концентрацию легковых автомобилей в городах с населением свыше 100 тыс. жителей, а такие основываясь на положительном опыте специалистов / 59 /, в качестве эталонной трассы, имитирующей типичные условия эксплуатации легковых автомобилей общего пользования, была принята схема движения по маршруту "Малая Роза" в черте г. Москвы. Протяженность маршрута составляет свыше 40 км. На данном маршруте В.В.Осепчуговым были получены основные характеристики режимов работы агрегатов легковых автомобилей, которые в дальнейшем трансформировались в условия автополигона НАМИ, где в настоящее время проводится основная часть испытаний новых моделей автомобилей. Однако в числе большого количества характеристик, определенных на данном маршруте, корреляционная взаимосвязь величин и частостей поворотов со скоростью их прохождения установлены не были. Так как выбор рационального соотношения углов поворота управляемых колес зависит именно от этих факторов, возникает необходимость в проведении дополнительных исследований.
Влияние соотношения углов поворота на работу трения - скольжения в зоне пятна контакта
Систематические наблюдения за пробегами и состоянием шин автомобилей-такси ГАЗ-24 позволили установить, что основной причиной снижения пробега шин является односторонний износ протектора / 24 /. Наиболее распространенной причиной возникновения одностороннего износа шин является нарушенное схождение. Б главе 2 теоретически была доказана равнозначность соотношения углов поворота и схождения на общий износ протектора. Естественно было предположить, что исследуемый параметр также воздействует на образование одностороннего износа. Данное предположение как и теоретические выводы требовали экспериментальной проверки, позволящей, во-первых, определить влияние соотношения углов поворота на износ протектора путем сравнения с износом при нарушенном схождении, во-вторых, оценить влияние соотношения на неравномерный износ дорожек протектора, в-третьих, на повороте средиезначимом по износу тин (см. п.п. 2.3) для типичных условий эксплуатации легковых автомобилей, определить рациональное соотношение и сравнить его с полученным теоретически.
Для эксплуатации важно знать количественное влияние факто ров на износ шин, что возможно определить лишь в результате специальных экспериментов.
К числу испытаний, дающих возможность получения количественных оценок по износу шин относятся дорожные испытания /15 /.
В настоящее время широкое распространение получил способ непосредственного взвешивания шин до начала испытаний и по их окончании- Разница в весе характеризует износ беговой части протектора. Однако данный способ требует большого подготовительно-заключительного времени, связанного с очисткой протектора, промывкой и сушкой перед началом каждого эксперимента. Но главный его недостаток состоит в том, что он не дает дифференцированной оценки износа по дороккам шин и следовательно не монет быть применен для решения всех задач настоящего исследования.
Указанный недостаток отсутствует у способа, основанного на использовании изотопов в качестве индикаторов износа / 52/. Данный способ дает хорошую точность и заключается в том, что в протектор на определенную глубину вводится радиоактивный элемент. По мере истирания шины уменьшается слой резины, отделяющий элемент от поверхности и увеличивается радиация, которую замеряют с помощью счетчика. Несмотря на относительно небольшой пробег достаточный для оценки износа в обычных условиях эксплуатации (100-150 км) его осуществление при постоянном движении автомобиля по кругу затруднительно. Затруднительно использование данного способа из-за его специфичности и ограниченности доступа.
Существуют и другие способы: окраска протекторной резины слоями разного цвета, изготовление шины с коническими лунками на дорожках и т.д. Однако они менее точны, трудоемки и требуют длительной подготовки, что делает их нерациональными для многовариантных исследований.
Н.М.Кислициным был предложен способ оценки износа шин по Износу искусственных носителей информации - индикаторов, изготовленных из металла и закрепляемых на беговой поверхности шиш / 28, 38 /. В качестве индикаторов им были использованы металлические вставки с плоской поверхностью, которые предварительно взвешивались и затем крепились на протекторе (рис. 3.7). После определенного пробега пластины снимаются и взвешиваются повторно. По разнице их веса или толщине можно судить о величине работы шины против сил трения в зоне контакта, которая пропорциональна износу шин.
Данный способ практически отвечает всем требованиям для ускоренных испытаний. Он быстр (пробег примерно 10 км), позволяет многократно использовать одну и ту Ее шину серийного производства, не трудоемок, достаточно точен, позволяет дифференцировать износ по дорожкам. Однако область его применения ограничена. По данному способу измеряется износ инородного материала, а не резины, физико-механические свойства которой значительно отличаются от металла. Вместе с тем индикаторы повторяют элементарные проскальзывания и на них действуют нормальные и касательные напрякеяия, пропорциональные реальным, возникающим в контакте шин с дорогой. Поэтому в условиях установившегося движения работа трения индикаторов будет прям.опропорционадьна проскальзыванию сопряженного участка протектора, а ее увеличение при вариациях исследуемого параметра будет приводить к приращению износа как индикаторов, так и резины, где минимальному износу соответствует минимальное проскальзывание протектора
Рекомендации по обеспечению рационального -соотношения углов поворота на стадии проекта
В большинстве проектных разработок, реализуются компромиссные решения, вызванные обеспечением стабильности эксплуатационных характеристик автомобиля, его комфортабельности и саблюдения компоновочных размеров, определенных техническим заданием. Поэтому конструктор сталкивается с необходимостью выбора рациональной формы рулевой трапеции вообще и в частности обеспечивающей минимальный изноо шин. Единого мнения относитель но того, для каких условии (скорость движения, радиус поворота) ДОЛЕНЫ подбираться параметры рулевой трапеции, а также, каково должно быть соотношение мекду углами увода управляемых колес, не было. Проведенные исследования позволили в какой-то степени вскрыть данную неопределенность Анализ зависимости износа шин при уводе, полученной на базе общей теории усталостного износа материалов с учетом особенностей истирания резины, показал, что равенство уводов управляемых колес является лучшим условием с позиции износа шин при установившемся движении автомобиля на повороте.
Это условие было взято за основу при моделировании поворота двухосного автомобиля и была получена оптимальная характеристика изменения соотношения углов поворота в эксплуатации для автомобиля ГДЗ-24 (см. рис. 2.II). Режимы движения автомобиля на повороте (скорость и угол поворота) определялись в соответствии с теоретическими зависимостями, установленными по результатам эксперимента на маршруте "Малая Роза" (см. п.п. 3.1).
Сравнение полученной зависимости с определенной по уравне нию котангенсов показало, что при малых и средних углах поворо та колес (до 18) соотношение в реальных условиях движения долж но быть меньше, чем классическое, определенное по уравнению котангенсов. С увеличением угла поворота . 0в кривая асимпто тически приближается к условию Аккермана. При этом расчетная функция . носила характер"негладкой"зависимости (см.рис. 2.II). Поскольку механизм рулевой трапеции и ее кинематические параметры предопределяют величину соотношения, обеспечивая плавное изменение его величины при повороте колес, точного совпадения с теоретической функцией невозможно обеспечить без усложнения всего механизма в целом и увеличения числа звеньев. В связи с этим необходимо определять такую зависимость, отклонение которой от теоретической будет минимальным, что мовно сделать по методу наименьших квадратов. В данном случае рациональное соотношение будет установлено посредством сравнения множества значений двух функций: теоретической и кинематической, взвешенных с учетом частостей поворотов. Теоретическая может быть определена моделированием поворотов автомобиля со средними скоростями, подчиняющимися зависимости:
Кинематическая зависимость соотношения от угла поворота может быть аппроксимирована функцией вида д9= 96т (4-4) показатель степени которой является стабильным в смысле конструктивного направления,которого придерживается завод-изготовитель. Поэтому доводка рулевой трапеции, принципиально не изменяющая конструкции, в основном влияет на коэффициент JA указанной зависимости, продорционально увеличивая или уменьшая соотношение.
Таким образом, варьируя коэффициентом можно найти его значение, соответствующее минимальному отклонению соотношения от теоретической зависимости с точки зрения износа шин. Такое решение трудоемко и длительно. Проведенные исследования показали и другой путь обеспечения рационального соотношения на стадии проекта (см. п.п. 2.3).
При известной зависимости (4.4), определенной до предшествующим или аналогичным конструкціям, устанавливается величина показателя степени m . Его величина подставляется в формулу Qft = Я,5 т и таким образом определяется угол поворота внутреннего колеса автомобиля, при котором отклонение соотношения от теоретической зависимости имеет наибольшее влияние на износ шин. Далее графически (см. рис. 2.14) определяется величина соотношения при указанном повороте рулевой трапеции. Так,например, для аппроксимирующей зависимости с показателем степени 1,5, определенным для кинематики ГАЗ-24 (см. рис. 2.II),значимый поворот равен 17,5, а рациональное соотношение при этом -150, что соответствует-214 при традиционном замере на стенде.
