Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Общие положения 12
1.2. Показатели эффективности функционирования тормозных систем АТС в условиях эксплуатации 19
1.3. Анализ диагностических возможностей стендов с беговыми барабанными 22
1.4. Анализ математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины с опорной поверхностью 30
1.4.1. История создания пневматических шин 30
1.4.2. Конструкция шины 32
1.4.3. Деформация шин 33
1.4.4. Основные силовые факторы и характеристики автомобильных шин, влияющие на процесс торможения 34
1.4.5. Обзор существующих моделей шин 38
1.4.6. Классификация математических моделей шин
1.5. Выводы 53
1.6. Задачи исследования 54
2. Теоретические предпосылки повышения качества контроля процесса торможения колес атс на беговых барабанах стендов 56
2.1. Разработка математического описания процесса взаимодействия шины тормозящего колеса с цилиндрическими опорными поверхностями 56
2.1.1. Анализ математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины с опорной поверхностью 56
2.1.2. Структурная схема процесса функционирования объекта исследования
2.1.3. Структурная схема системы «шина - беговой барабан - стенд» 60
2.1.4. Математическая модель процесса взаимодействия шины тормозящего колеса АТС с поверхностью бегового барабана стенда 63
2.1.5. Алгоритм расчёта параметров системы «шина - беговой барабан стенд» 77
2.2. Установление функциональных зависимостей основных параметров стационарных характеристик сцепления шин от параметров, влияющих на объект исследования 80
2.2.1. Метод аппроксимации результатов аналитических и экспериментальных исследований 81
2.3. Выводы по второй главе 83
3. Методики экспериментальных исследований 85
3.1 Методика экспериментальных исследований характеристик сцепления эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью 85
3.1.1 Обоснование требований к оборудованию и системе измерения параметров исследуемых процессов 90
3.1.2. Оборудование для задания тестовых режимов 92
3.1.3. Система измерения, преобразования и регистрации параметров исследуемых процессов 96
3.1.4. Тарировки систем измерения 105
3.1.5. Методика оценки погрешностей систем измерения 114
3.1.6. Методика планирования экспериментов 118
3.2. Методики исследования радиуса качения колеса с эластичной шиной в ведомом режиме 120
3.3. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 123
3.4. Методика проверки адекватности математической модели 127
3.5. Выводы по второй главе 130
4. Результаты исследования 132
4.1. Результаты экспериментального исследования процесса взаимодействия шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в тормозном режиме 132
4.1.1. Экспериментальное исследование радиуса качения колеса в ведомом режиме 133
4.1.2. Экспериментальное исследование характеристик сцепления эластичных шин с цилиндрической опорной поверхностью
4.2. Аналитическое определение параметров процесса взаимодействия шины с поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения 144
4.3. Оценка адекватности математической модели процесса взаимодействия шины с поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения 149
4.4. Закономерности процесса взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью стенда в режиме торможения 153
4.4.1. Влияние диаметра бегового барабана стенда на параметры, характеризующие процесс торможения шины на цилиндрической опорной поверхности стенда 154
4.4.2. Влияние нормальной нагрузки на параметры, характеризующие процесс торможения шины на цилиндрической опорной поверхности стенда 164
4.4.3. Влияние величины силового радиуса колеса на параметры, характеризующие процесс его торможения на одиночном беговом барабане стенда 174
4.4.4. Анализ коэффициентов математической модели Pacejka Н.В. - Дика А.Б при изменении диаметра цилиндрической поверхности стенда 184
4.5. Методика высокоинформативного контроля тормозных систем АТС на стенде с одиночным беговым барабаном 186
4.6. Оборудование для реализации разработанного метода и методики онтроля тормозных систем АТС на силовом стенде 194
4.7. Производственная проверка и технико-экономическая оценка результатов выполненного научного исследования 196
4.8. Результаты и выводы по главе 201
Основные результаты и выводы 206
Библиографический список
- Анализ диагностических возможностей стендов с беговыми барабанными
- Анализ математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины с опорной поверхностью
- Обоснование требований к оборудованию и системе измерения параметров исследуемых процессов
- Аналитическое определение параметров процесса взаимодействия шины с поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения
Введение к работе
Актуальность темы: Современные автотранспортные средства (АТС) являются объектами повышенной опасности. Обладая большими массами и двигаясь с высокими скоростями, они имеют единственную возможность быстрого снижения скорости -использование эффективной тормозной системы и сил сцепления с дорожным покрытием. Именно поэтому в условиях эксплуатации особое внимание уделяется контролю технического состояния тормозных систем АТС, который может выполняться как дорожными, так и стендовыми методами. Стендовые методы получили наиболее широкое распространение, поскольку имеют ряд преимуществ, перед дорожными. Стенды с беговыми барабанами компактны, удобны в работе, реализуют принцип обратимости движения и, как правило, устанавливаются в закрытых от внешней среды помещениях. Вместе с тем стендовые методы имеют и ряд существенных недостатков. Нередки случаи, когда АТС, получившие положительное заключение по итогам контроля на стендах с беговыми барабанами, не обеспечивают показателей тормозной эффективности и/или устойчивости при торможении в дорожных условиях.
Принято считать, что стендовые методы позволяют выполнять только грубую оценку технического состояния тормозных систем АТС, поскольку механика взаимодействия их колес с плоской опорной поверхностью дороги сильно отличается от механики взаимодействия с цилиндрическими поверхностями барабанов стендов. Попытки учета этого отличия при определении показателей процесса торможения АТС на стендах с беговыми барабанами наталкиваются на противоречие, связанное с отсутствием знаний о закономерностях, характеризующих потенциальные способности автомобильных шин создавать продольные реакции с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда. Это снижает качество контроля технического состояния тормозных систем автомобиля на стендах. Поэтому проведение научного исследования, направленного на повышение качества контроля технического состояния тормозных систем АТС на основе учета закономерностей силового и кинематического взаимодействия шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда является актуальным.
Рабочей гипотезой являлось предложение о том, что качество контроля тормозных систем АТС на стендах с беговыми барабанами можно значительно повысить, если в процессе их торможения на цилиндрической поверхности бегового барабана диагностического стенда учитывать закономерности распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин.
Целью работы является повышение качества контроля технического состояния тормозных систем АТС в условиях эксплуатации на основе учета закономерностей силового и кинематического взаимодействия шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда.
Объект исследования - Процесс силового и кинематического взаимодействия автомобильной шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения.
Предмет исследования - Закономерности, характеризующие процесс взаимодействия автомобильных шин с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда, позволяющую рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин, а также
коэффициенты математической модели шины Pacejka Н.В. -ДикаА.Б;
-
Получить эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины с цилиндрической поверхностью барабана стенда, проанализировать возможность построения на их основе стационарных характеристик сцепления шин и определения основных коэффициентов математической модели шины Pacejka Н.В. - Дика А.Б.;
-
Выявить функциональные зависимости основных параметров стационарных характеристик сцепления шин от диаметра цилиндрической поверхности барабанов диагностических стендов, нагрузки на колесо и его радиуса;
-
Научно обосновать и апробировать методику стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда;
-
Выполнить производственную проверку результатов научного исследования и дать им технико-экономическую оценку
Научной новизной обладают:
-
Математическая модель процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда;
-
Выявленные функциональные зависимости основных параметров стационарных характеристик сцепления шин от диаметра цилиндрической поверхности барабанов диагностических стендов, нагрузки на колесо и его радиуса;
-
Методика стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда.
Теоретическая значимость исследования
Разработанная математическая модель позволяет исследовать процессы взаимодействия автомобильной шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения;
Выявленные закономерности позволяют значительно расширить знания о процессах, происходящих в пятне контакта шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана стенда, выполнять анализ погрешностей, возникающих при определении потенциальных способностей автомобильных шин к созданию касательных реакций с цилиндрической поверхностью бегового барабана стенда.
Практическая значимость исследования. Организациям, выполняющим исследования в области процессов торможения АТС, фирмам, выполняющим разработку диагностического оборудования для контроля технического состояния тормозных систем результаты исследования позволяют значительно повысить метрологические свойства разрабатываемых и выпускаемых тормозных стендов с беговыми барабанами. Центрам инструментального контроля, станциям диагностики, выполняющим технический осмотр АТС, разработанная методика и реализующее её оборудование позволяют значительно повышать качество контроля тормозных систем АТС на стендах с беговыми барабанами в условиях эксплуатации.
Предполагаемые формы внедрения и ожидаемые результаты. Методика и реализующее её оборудование могут быть внедрены на фирмах, выпускающих оборудование для диагностики тормозных систем АТС. Их внедрение позволяет повысить информативность, снизить металлоемкость и конструктивную сложность диагностических стендов. Внедрение в центрах инструментального контроля и станциях диагностики позволит значительно повысить информативность и качество контроля тормозных систем АТС в процессе технического осмотра.
Методы исследований. Экспериментальные исследования процессов взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической поверхностью беговых барабанов осуществлялись стендовыми испытаниями. В аналитических исследованиях использованы численные методы математического анализа и математического моделирования, решения дифференциальных, алгебраических уравнений и неравенств. Планирование эксперимента, оценка математической модели, а также обработка полученного экспериментального материала осуществлялась на основе методов теории вероятности и математической статистики.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ЗАО Промышленная группа «ГАРО», г. Великий Новгород и в ОАО «Грузовое автотранспортное предприятие №2» г. Улан-Удэ. Внедрены в учебный процесс кафедры «Автомобильный транспорт» института «Авиамашиностроения и транспорта» ФГБОУ ВО ИрНИТУ.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Качество контроля тормозных систем АТС на стендах с беговыми барабанами можно значительно повысить, если нагрузку на колесо и тормозные силы определять одновременно, в процессе торможения, на основе эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин с цилиндрической поверхностью бегового барабана;
-
На основе эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда можно с минимальными погрешностями определять стационарные характеристики сцепления шин, а также рассчитывать коэффициенты математической модели шины Pacejka Н.В. - Дика А.Б.;
-
Разработанная методика стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда позволяет значительно снижать погрешности измерения тормозных сил, вызванных колебаниями нагрузки на колесах АТС, а также их позиционированием относительно барабана стенда.
Апробация работы. Материалы и результаты проведенного научного исследования доложены и получили одобрение на III Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» - Иркутск, в апреле 2013 г.; на 83-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. - Иркутск, в сентябре 2013 г.; на научно-техническом семинаре СиБАДИ, г. Омск, в ноябре 2013 г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» - Иркутск, в апреле 2014 г.; на конкурсе научно-инновационных проектов «Изобретатель XXI века» в рамках Всероссийского фестиваля науки - Иркутск, в октябре 2014 г.; на 90-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров - Иркутск, в апреле 2015 г.; на VI Международной конференции «Проблемы механики современных машин» - Республика Бурятия, ВСГУТУ, СОЛ «Ровесник» (оз. Байкал), в июле 2015 г.
Личный вклад автора заключается в разработке математической модели, выполнении расчетов на ней, в разработке методик исследования и изготовлении исследовательского оборудования, в проведении аналитических и экспериментальных исследований, в разработке и апробации новой высокоинформативной методики диагностики тормозных систем АТС на однобарабанном стенде, от разработки идеи до производственной проверки.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, общим объемом 5,93 усл. п. л., (автору принадлежит 4,15 усл. п.л.), из них 3 статьи в изданиях из Перечня ВАК РФ, 1 Патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 306 наименований, в том числе 65 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 248 страницах машинописного текста и включает 47 таблиц, 100 рисунков и 4 приложения с материалами результатов исследований.
Анализ диагностических возможностей стендов с беговыми барабанными
В соответствии с «Техническим регламентом ТР ЕАЭС 018/2011» [190], контроль технического состояния тормозных систем АТС находящихся в эксплуатации может проводиться двумя методами: дорожным или стендовым.
Дорожный метод считается самым доступным, точным и мало затратным, так как испытания проходят на дороге и для этого не требуется дорогостоящего оборудования. Хотя данный метод не всегда возможно применить на практике в силу погодных и атмосферных условий в разное время года. Поэтому наибольшее распространение получил стендовый метод диагностики тормозных систем АТС (на стендах с беговыми барабанами), как наиболее защищенный от атмосферных и погодных влияний. Метод основан на использовании принципа обратимости движения, когда АТС стоит неподвижно, а его механизмы, агрегаты, узлы и системы функционируют на таких же скоростных, силовых и мощностных режимах, как в реальных дорожных условиях. Контроль технического состояния тормозной системы стендовым методом выполняют, как правило, на стендах с беговыми барабанами.
Суть метода в том, что АТС устанавливают на беговые барабаны стенда колесами проверяемой оси. От привода стенда его беговые барабаны приводят во вращение, создавая имитацию движения АТС по дороге, и после приведение в действие органа управления, замеряют тормозные силы индивидуально на каждом колесе. Данный метод позволяет также определять нагрузку, приходящуюся на тормозящие колеса АТС. Затем рассчитывать удельную тормозную силу и относительную разность тормозных сил на колесах проверяемой оси АТС. Контроль тормозной системы как легковых, так и грузовых АТС является обязательной процедурой при проведении их технического осмотра.
Известен метод бесстендовой диагностики тормозных систем АТС [153, 154]. Метод разработан учеными Саратовского технического университета. Они предложили выполнять диагностику тормозных систем на основе измерения частоты вращения вывешенных тормозящих колес АТС. Разработали математическую модель процесса торможения вывешенных колес, обосновали режимы диагностирования и измеряемые параметры. Установили нормативные значения диагностических параметров.
Метод позволяет весьма эффективно диагностировать тормозные механизмы АТС [154,237]. Обоснован и апробирован параметр, позволяющий контролировать величину разжимного усилия, развиваемого тормозным механизмом. Метод также позволяет определять величину коэффициента трения в диссипативных парах тормозных механизмов и характеризует эффективность их функционирования. С целью повышения информативности метода авторы предлагают измерять давление рабочего тела в тормозном приводе.
Полученные результаты апробации метода были настолько убедительны, что Ассоциация автомобильных инженеров (ААИ) предложила использовать этот метод при проведении инструментального контроля АТС.
Очевидно, что данный метод весьма эффективен для контроля технического состояния тормозных механизмов и тормозного привода, но он не может давать информацию о величине тормозных сил, которые останавливают АТС. Поскольку в данном случае из системы «Водитель-Автомобиль-Дорога» исключено ключевое звено - пятно контакта колес АТС с дорогой.
С недавних пор на территории Российской Федерации разрешены к применению площадочные стенды, которые в большинстве стран Мира запрещены к применению в процессе проведения технического осмотра АТС. При кажущейся простоте конструкции и плоском пятне контакта, площадочные стенды имеют ряд серьёзных системных недостатков, которые сводят на нет их преимущества. Еще в начале 80-х годов прошлого века профессор Владимирского ГТУ Сергеев А.Г. в своих работах [31, 176] отмечал: «...результаты диагноза на площадочных стендах не могут считаться удовлетворительными по ряду технических, метрологических и организационных причин» [176]. Автор отмечает, что рассеяние результатов измерений на площадочных стендах «... может достигать 50% и более» [176]. Он отмечает, что в процессе диагностики тормозных систем на площадочных стендах «... регистрируется только конечный результат, а наблюдение за нарастанием тормозной силы с увеличением усилия на педали не возможно». В работе [176] перечислены и такие недостатки стендов данного типа, как «...тормоза проверяются, как правило, не в прогретом состоянии, трудно различить биение тормозных механизмов, износ тормозных колодок и зависимость между усилием на педали и тормозной силой».
Метрологические характеристики площадочных стендов, их недостатки подвергаются критике и в работах профессора А.И. Федотова [215, 216, 218]. Отмечено, что измерение тормозных сил на площадочных стендах сопряжено с большими погрешностями, которые носят системный характер и не устранимы применением технических, метрологических и организационных мер. Большие погрешности измерения тормозных сил на них связаны с возникновением как крутильных, так и продольных колебаний колесных узлов на площадках стендов. Установлено, что диагностика тормозных систем на площадочных стендах требует высокой точности позиционирования колес АТС относительно центров площадок. Доказано, что по причине конструктивных ограничений, реализация используемого в стендовой диагностике - принципа обратимости движения, на площадочных стендах либо не возможна, либо крайне проблематична [215, 216, 218].
Анализ математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины с опорной поверхностью
При этом выходными параметрами объекта исследования являются функциональные параметры, характеризующие сцепление эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью стенда, такие как эпюры распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шины, критическое проскальзывание, максимальное значение коэффициента сцепления и коэффициент жесткости проскальзывания. Все эти параметры являются крайне важными, поскольку позволяют использовать в исследовании полуэмпирическую математическую модель шины авторов Н.В. Pacejka и А.Б.Дика [81, 277, 278].
На качество функционирования объекта исследования оказывают влияние как его внутренние, так и внешние факторы.
Внутренние факторы характеризуются параметрами, определяющими техническое состояние объекта исследования: жесткость и износ шины; тип протектора; давление воздуха в шине; радиус колеса; диаметр бегового барабана, коэффициенты сцепления и проскальзывания. Величины этих параметров очень значимо влияют на состояние объекта исследования и его функционирование.
Внешние факторы никак не зависят от объекта исследования, но зато весьма значимо влияют на протекание исследуемого процесса. В данном случае, внешними факторами являются влажность воздуха и его температура, а также осадки в виде дождя, снега и пр.
Для формализации процесса взаимодействия эластичной шиной с цилиндрической опорной поверхностью стенда с беговым барабаном, была разработана структурная схема системы «шина - беговой барабан - стенд». Внешний вид схемы представлен на рис.2.2. В схеме принято допущение о том, что внешние факторы не воздействуют на объект исследования. Данное допущение является вполне корректным, поскольку, во-первых, стендовые методы контроля и диагностики АТС используются, как правило, в закрытых помещениях и, во-вторых, учет внешних факторов не ставился в задачах данного исследования. Таким образом, на схеме (рис. 2.2) рассмотрены причинно-следственные связи между элементами системы «шина - беговой барабан - стенд» в процессе формирования выходных параметров. Структурная схема (рис.2.2) процесса исследования включает: 1 - Беговые барабаны стенда с приводом (беговые барабаны, привод, валы, соединительные муфты); 2 - Механизм, обеспечивающий задание тестового воздействия посредством управления скоростью вращения барабанов (преобразователь частоты переменного тока, привод, рамки, колесо);
Привод воздействует на механизмы стенда, приводя в движение беговой барабан с постоянной угловой скоростью а б. Скорость вращения бегового барабана задается и изменяется преобразователем частоты электрического тока, питающего электродвигатель. Это позволяет устанавливать заданное значение проскальзывания S шины, рассчитываемого по формуле:
В процессе исследования стационарных характеристик сцепления эластичных шин режим их торможения дискретно меняют посредством установки заданных фиксированных значений проскальзывания S в диапазоне 0 S 1.
В процессе работы в тормозном режиме, на шину со стороны опорной поверхности барабана действуют реакции. Нормальные Rz и продольные Rx реакции воспринимают датчики измерения силовых параметров. Их сигналы после обработки измерительными системами стенда преобразуются в виде аналоговых зависимостей Щ =f(t).
Аналоговые электрические сигналы всех измерительных систем поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует эти сигналы измерительных систем в цифровые коды. ЭВМ преобразует цифровые коды напряжений Щ поступающих от АЦП в цифровые и графические отображения измеряемых параметров co6=f(t), coK=f(t), ARz=f(t),
Структурно-следственная схема (рис 2.2) позволила выявить взаимосвязи в системе «шина - беговой барабан - стенд». Для выполнения расчётов на основе выявленных взаимосвязей между элементами схемы была разработана математическая модель системы «шина - беговой барабан -стенд».
Анализ конструктивных свойств шины позволяет условно разделить её на два конструктивных элемента. Первым элементом является резиновая беговая дорожка шины (протектор). Второй конструктивный элемент шины состоит из основных её деталей, связанных с каркасом шины. Условное разделение шины на каркас и протектор соответствует известной схеме -«ядро-периферия».
В настоящее время, наиболее распространенным подходом при моделировании процессов работы шин является компиляция нескольких моделей, согласно которому, ядром является каркас шины, а периферией -резиновый слой её беговой дорожки (протектор) [174].
Поэтому в данной работе предложена комбинированная модель шины, в которой каркас представлен моделью механического типа «жесткой ленты на упругом основании», а периферийный слой беговой дорожки шины представлен щёточной моделью, основанием которой является лента каркаса (рис. 2.3).
Сделаем допущение о том, что жесткая лента равно удалена от центра колеса и крепится к его ободу упругим в радиальном направлении основанием, состоящим из пружин, обладающих жесткостью с модулем Юнга Еш, и узлов трения (амортизаторов) - создающих демпфирование, характеризуемое коэффициентом кш. Действующая на колесо нормальная нагрузка GK вызывает прогиб шины hmax, величина которого зависит от величины этой нагрузки и внутреннего давления воздуха в шине Pw (рис.23).
Обоснование требований к оборудованию и системе измерения параметров исследуемых процессов
Измерительная система измеряет и регистрирует параметры процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью. Результатом работы измерительной системы являются полученные зависимости элементарных нормальной ARZ = f(t) и касательной Ai?x= f(t) реакций, а также угловых скоростей вращения колеса сок = f(t) и беговых барабанов со б =f(t) от времени. Это позволяет рассчитывать значения величины проскальзывания S, и строить (q - s)- диаграммы [44, 206, 210].
Измерительная система стенда включает группу силовых и кинематических измерительных устройств, а также блок питания измерительной аппаратуры и блок приёма сигналов.
Система измерения элементарных реакций в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью бегового барабана состоит из тензометрического датчика, усилителей сигналов, расположенных внутри беговых барабанов, и токосъёмного коллектора, предназначенного для снятия сигналов с датчиков.
Система измерения элементарных нормальных и касательных реакций является более совершенным и точным в отличие от имеющихся аналогов измерительных комплексов. На её устройство получен патент Российской Федерации [117]. Система с минимальными погрешностями измеряет действующие элементарные нормальные и касательные реакции, распределенные по длине пятна контакта шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана.
Поскольку поверхность барабана имеет кривизну, поэтому для датчика, измеряющего элементарные нормальные и касательные реакции ARX и ARZ, была изготовлена дугообразная площадка 2 (рис. 3.3), которая крепежными болтами закреплена к поверхности бегового барабана. Внутри площадки закреплен преобразователь, который при одном прокатывании колеса 9 позволяет фиксировать две величины: нормальное давление и касательное напряжение в продольном направление движении колеса. Преобразователь, для измерения элементарных нормальных и касательных реакций (рис. 3.3), состоит из упругой пластины 1, на боковых поверхностях которой наклеены тензорезисторы 7.
Тензорезисторы преобразователя включены в измерительную цепь по мостовой схеме. Пластина 1 двумя винтами 4 прикреплена к промежуточной опоре 3, которая в свою очередь, крепится к опорной площадке 2. Одна из боковых поверхностей пластины 1 входит в прорезь в опорном листе площадки 2. Для предотвращения поворота пластины 1 в центрах винтов 4 она имеет реактивный рычаг 5 соединенный с нежесткой пружиной 8. Эта пружина закреплена на планке 6 при помощи винтов.
Функциональная схема датчика с тензометрической балкой для измерения элементарных нормальных и касательных реакций в пятне контакта шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана
Внешний вид тензометрического датчика представлен на рисунке 3.4. Общий вид тензометрического датчика с тензометрической балкой для измерения элементарных нормальных и касательных реакций в пятне контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана
При вращении бегового барабана колесо циклически наезжает на тензометрическую балку датчика. При этом датчик выполняет измерения элементарных нормальных ARZ и касательных ARX реакций в пятне контакта эластичной шины с цилиндрической поверхностью барабана.
Пластина тензометрического датчика
Основным элементом тензометрического датчика является пластина (рис. 3.5) с парой комплектов фольговых тензометрических преобразователей (типа 2ФКПА-100), клеящихся на края металлической пластины в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и соединенных в два измерительных моста.
Внешний вид тензометрического преобразователя (тензорезистора) При деформации тензометрического датчика, его электрическое сопротивление изменяется, изменяя проходящий по датчику ток по закону Ома [202]: R = U-I (3.4) где: / - сила тока в цепи; U - подведенное к датчику напряжение; R - электрическое сопротивление проводника. Величина тока, проходящего через тензодатчики, пропорциональна деформации є пластины, на которую они наклеены. Таким образом, собранные по мостовой схеме тензометрические датчики под действием элементарных нормальных и касательных реакций изменяют свое сопротивление. В результате этого изменяется и ток, протекающий через тензодатчики, который воспринимается тензоусилителем, усиливается и передаётся через АЦП в компьютер. Усилители сигналов
Для усиления, преобразования и передачи в компьютер сигналов мостовых схем была разработана функциональная схема (рис. 3.7) состоящая из измерительного датчика, электронного блока усилителя сигнала и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
В состав электронного блока усилителя (рис. 3.8 и 3.9) входят операционные усилители AD623 и LM324N, сопротивления, и конденсаторы.
При вращении диска-ротора, его прорези периодически перекрывают и открывают световой поток оптопары. Это приводит к дискретному изменению сопротивления фотодиода оптопары. Частота изменения сопротивления фотодиода пропорциональна частоте вращения вала колеса (либо бегового барабана). Преобразователь 3 преобразует прямоугольный сигнал изменения сопротивления фотодиода в электрические импульсы вида «логический ноль» - «логическая единица». Сигналы преобразователя 3 передаются через АЦП в компьютер для расчёта значений угловой скорости и проскальзывания. Скважность электрических импульсов будет пропорциональна частоте вращения диска-ротора а, следовательно, и колеса (барабана).
АЦП преобразует входные аналоговые сигналы (напряжение) с заданной дискретностью и посредством процедуры квантования преобразовывает их в цифровые коды. Дискретность измерения входных сигналов задается на программном уровне. В компьютере цифровые коды АЦП преобразуются программным обеспечением «L-Graph» в числовые значения в виде массивов цифр. Результаты измерений записываются в файл и далее, на программном уровне, обрабатываются в виде графиков зависимостей ARz=f(t); ARz=f(t); coK=f(t); co6=f(t).
Аналитическое определение параметров процесса взаимодействия шины с поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения
Используя нормированные функции проскальзывания (рис. 4.12) находили коэффициент «жесткости проскальзывания» rjs и коэффициент fs снижения фрикционных свойств шины в блоке. Затем подставляли их значения в формулы (2.2 - 2.6), изложенные во второй главе. По этим формулам рассчитывали значения коэффициентов а и Ъ (табл. 4.6), для функции (2.1) математической модели А. Б. Дика - Н.В. Pacejka.
Оценка адекватности математической модели процесса взаимодействия шины с поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения Согласно методике, описанной в п. 3.4 третьей главе диссертационной работы, на основе результатов, полученных по математической модели и результатов экспериментальных исследований процесса взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью в режиме торможения на стенде с беговым барабаном, была выполнена оценка адекватности математической модели системы «Шина - беговой барабан -стенд».
Анализ результатов экспериментальных (рис. 4.7 - 4.9) и расчетных (рис. 4.10 - 4.12) исследований показывает весьма удовлетворительное их качественное и количественное совпадение, а также сходимость расчётных и экспериментальных значений элементарных нормальных ARZ и касательных ARX реакций и значений проскальзывания S.
Каждое значение рассчитанных параметров, сохраняли в текстовом файле и экспортировали в программу «Microsoft Excel», в которой уже был создан второй массив с результатами экспериментальных данных. Для каждого параметра были определены дисперсия воспроизводимости и дисперсия адекватности по выражениям (3.46) и (3.48), изложенным в третьей главе. После чего по выражению (3.49) вычисляли значения критерия Фишера и сравнивали их с принятым 5%-ым уровнем значимости, согласно условию (3.51), изложенному в третьей главе диссертации.
На рис. 4.13 -МЛ5 представлены графики результатов математического моделирования и экспериментальных исследований эпюр распределения нормальных ARZ и касательных ARX реакций по длине пятна контакта шины Amtel 175/65-R14-82H с цилиндрической опорной поверхностью барабана диаметром 0,24 м, при нагрузке на колесо GK= 3,7 кН и давлении воздуха в шине 0,21 МПа. На их основе выполняли оценку адекватности математической модели.
Для оценки адекватности математической модели на рис. 4.14 представлены расчетные и экспериментальные ( р — s) - диаграммы шины Amtel 175/65-R14-82H, на беговом барабане диаметром 0 = 0,24 м, при нагрузке на колесо GK= Ъ,1 кН. А на рис. 4.15 представлены расчетные и экспериментальные нормированные f{s) - диаграммы той же шины и в тех же условиях.
Графики результатов математического моделирования и экспериментальных исследований эпюр распределения нормальных ARZ и касательных ARX реакций по длине пятна контакта шины Amtel 175/65-R14-82Нс цилиндрической опорной поверхностью барабана диаметром 0,24 м, при нагрузке на колесо GK = 3,7 кН и давлении воздуха в шине 0,21 Мпа
Представленные на рис. 4.13 - 4.15 графики результатов математического моделирования и экспериментальных исследований эпюр распределения, нормальных ARZ и касательных ARX реакций по длине пятна контакта шины с цилиндрической опорной поверхностью барабана диаметром 0,24 м показывают их качественное и количественное совпадение, хорошую сходимость расчётных и экспериментальных значений.
Из таблицы 4.7 видно, что рассчитанные значения критерия Фишера для эпюр распределения нормальных и касательных реакций, коэффициента сцепления и для нормированных функций проскальзывания при 5% уровне значимости меньше табличного (/1;/2,5%)[46, 50, 79, 145]. Это позволяет утверждать, что разработанная автором математическая модель системы «Шина - Беговой барабан - Стенд», значимо описывает реальные процессы, является адекватной и пригодной для проведения аналитических исследований процессов торможения колеса с эластичной шиной на цилиндрической поверхности бегового барабана стенда.
Закономерности процесса взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью стенда в режиме торможения
Установлено, что основными параметрами, влияющими на процесс торможения эластичной шины на цилиндрической опорной поверхности бегового барабана стенда, являются: радиус кривизны цилиндрической опорной поверхности (или диаметр бегового барабана стенда); нормальная нагрузка на колесо; размер шины и давление воздуха в ней.
С использованием разработанной математической модели было проведено аналитическое исследование влияния вышеперечисленных параметров на выходные характеристики процесса взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью, в режиме торможения колеса на одиночном беговом барабане стенда. Для решения данной задачи в процессе расчета использовали следующие исходные данные (см. табл. 4.8 и 4.9):
Влияние диаметра бегового барабана стенда на параметры, характеризующие процесс торможения шины на цилиндрической опорной поверхности стенда Как известно, при качении эластичной шины по цилиндрической опорной поверхности, чем больше радиус кривизны опорной поверхности, тем меньше площадь пятна контакта шины, и тем больше удельное давление в этом пятне контакта. Следовательно, тем меньше коэффициент сцепления шины [107,114,136, 145]. Т.е. стационарные характеристики сцепления шины с поверхностью бегового барабана стенда в высокой степени зависят от диаметра бегового барабана.
Анализ графиков рис. 4.16 и табл. 4.10 позволил установить, что при уменьшении диаметра цилиндрической опорной поверхности от 10 м {можно читать как плоскую опорную поверхность) до 0,24 м, стационарная характеристика сцепления шины сильно изменяется как качественно, так и количественно. Коэффициент сцепления в блоке уменьшается на 10,3%, максимальное значение коэффициента сцепления (ртах уменьшается на 5,2%, коэффициент «жесткости проскальзывания» rjs уменьшается на 59,2%, а критическое проскальзывание SKp увеличивается на 54,2%.
Это означает, что с уменьшением диаметра цилиндрической поверхности барабана стенда стационарная характеристика сцепления радиальной шины становится похожа на характеристику шины диагональной, с малой «жесткостью проскальзывания» - rjs и большим значением критического проскальзывания S«p. Установление этого факта само по себе очень важно, поскольку он сильно качественно и количественно влияет на результаты контроля тормозных систем АТС на стендах.
Как уже было отмечено, величина коэффициента «жесткости проскальзывания» rjs при торможении эластичной шины на цилиндрической опорной поверхности уменьшается до 59% в сравнении с торможением на плоской опорной поверхности. Вызвано это тем, что величина коэффициента «жесткости проскальзывания» определяется как тангенс угла наклона ( p — s)-диаграммы в начальной области устойчивого торможения колеса при S—»0, а тангенс - это очень «сильная» функция для угла наклона графика, что наглядно иллюстрирует рис. 4.16.
На следующем этапе, было проведено исследование влияния диаметра бегового барабана на величину каждого параметра нормированной f{s) -диаграммы в отдельности.
В начале, были получены зависимости коэффициента «жёсткости проскальзывания» от диаметра барабана при варьировании нормальной нагрузки на колесо. Результаты данного исследования представлены на (рис.4.17и4.18).