Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ безопасности движения на обледенелых дорогах и характеристик сцепления шин со льдом 11
1.1 Безопасность эксплуатации автомобильного транспорта в зимний период 11
1.2 Общие положения о трении резины 16
1.3 Строение и свойства льда 18
1.4 Механизм трения при скольжении резины по льду 20
1.5 Оборудование для испытаний шин на льду 26
1.6 Характеристики шин при качении по льду 32
1.6.1 Характеристики бокового увода 34
1.6.2 Характеристики продольного проскальзывания 38
1.7 Представление результатов эксперимента и моделирование характеристик шин при качении по льду 46
1.8 Использование сцепных характеристик шин при проведении дорожно- транспортной экспертизы на обледенелых дорожных покрытиях 50
1.9 Анализ процедуры сертификационных испытаний шин легковых автомобилей в отношении сцепных качеств 55
1.10 Результаты и выводы по главе 61
2 Разработка математического описания характеристик сцепления шин со льдом и процесса теплопередачи в контакте шины с покрытием изо льда 63
2.1 Разработка математического описания характеристик сцепления шин со
льдом 63
2.1.1 Порядок разработки математического описания 63
2.1.2 Описание характеристики бокового увода 67
2.1.3 Описание характеристики продольного проскальзывания 70
2.2 Разработка математического описания процесса теплопередачи в контакте шины с покрытием изо льда 72
2.2.1 Расчётная модель 72
2.2.2 Граничные условия 74
2.2.3 Методика расчёта температуры покрытия 78
2.3 Результаты и выводы по главе 80
3 Методики исследований 81
3.1 Требования к точности измерения параметров шин на стендах 81
3.2 Разработка оборудования для испытаний шин на льду в стендовых условиях 83
3.2.1 Конструкция стенда для испытаний шин 83
3.2.1.1 Силовая система стенда 85
3.2.1.2 Измерительная система стенда 89
3.2.1.3 Система управления стендом 93
3.2.2 Оборудование для охлаждения барабана и создания покрытия изо льда 94
3.2.3 Оборудование для измерения температуры льда 97
3.3 Планирование эксперимента 101
3.4 Методика проведения испытаний 105
3.5 Методика обработки результатов измерений 106
3.6 Результаты и выводы по главе 111
4 Результаты исследований 113
4.1 Сравнение расчётных и экспериментальных характеристик сцепления шин со льдом 113
4.2 Сравнение расчётных и экспериментальных зависимостей температуры покрытия при испытаниях шин 119
4.3 Результаты экспериментальных исследований характеристик сцепления шин легковых автомобилей со льдом в стендовых условиях 124
4.3.1 Зависимости оценочных параметров характеристик бокового увода шин при качении по льду от различных факторов 125
4.3.2 Зависимости оценочных параметров характеристик продольного проскальзывания шин при качении по льду от различных факторов 135
4.4 Анализ результатов испытаний шин 145
4.5 Методика сертификационных испытаний шин на льду в стендовых условиях 152
4.6 Методика коррекции коэффициентов сцепления при экспертизе ДТП на дорогах, покрытых льдом 161
4.7 Расчёт социально-экономического эффекта от внедрения методики сертификационных испытаний шин на льду 173
4.8 Результаты и выводы по главе 175
Основные результаты и выводы 178
Список литературы
- Механизм трения при скольжении резины по льду
- Описание характеристики бокового увода
- Силовая система стенда
- Зависимости оценочных параметров характеристик бокового увода шин при качении по льду от различных факторов
Введение к работе
Актуальность. Ежегодно на территории Российской Федерации происходит более двухсот тысяч дорожно-транспортных происшествий (ДТП), в которых гибнет от 30 до 50 тысяч человек. По данным, приведенным в постановлении правительства РФ «О федеральной целевой программе «Повышение безопасности дорожного движения в 2013 - 2020 годах» демографический ущерб от ДТП и их последствий в России за 2004 -2011 годы составил 571 407 человек. Социально-экономический ущерб от аварий на дорогах за те же годы оценивается в 8 188,3 миллиарда рублей. Меры борьбы с аварийностью на автомобильном транспорте предусматривают проведение комплекса мероприятий по улучшению условий движения, повышению квалификации и укреплению дисциплины водителей, совершенствованию конструкций подвижного состава и его технического состояния. Одними из наиболее распространенных на территории нашей страны причин ДТП являются нарушение управляемости и устойчивости автотранспортного средства (АТС) и низкая эффективность торможения в результате потери сцепления шин с дорогой. Согласно официальной статистике неблагоприятные дорожные условия стали причиной 20 % от общего числа ДТП и являлись сопутствующей причиной ДТП в 70 % случаях. Как правило, такие ДТП происходят на дорогах, покрытых льдом и снегом. Несмотря на это, в настоящее время в нормативных документах, распространяющихся на автомобильные шины, отсутствуют требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием. Для формулирования этих требований необходимо установить величины оценочных параметров сцепления шин с обледенелым дорожным покрытием и разработать соответствующую методику сертификационных испытаний шин.
Особое место среди мер борьбы с аварийностью занимает расследование ДТП, которое требует внедрения в практику новых эффективных методов, позволяющих повышать достоверность проведения экспертизы. Отсутствие общепринятой методики определения сцепных свойств шин на обледенелом покрытии не позволяет определять их коэффициент сцепления с малыми погрешностями, что значительно снижает объективность проведения экспертизы ДТП автомобилей на скользких дорогах. Попытки разработать такую методику наталкиваются на противоречие, связанное с недостаточностью знаний о закономерностях, характеризующих процесс взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью покрытой льдом, что говорит о необходимости проведения исследований в этом направлении.
Таким образом, научное исследование, направленное на повышение объективности экспертизы ДТП и совершенствование сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на основе их характеристик сцепления со льдом является не только актуальной, но и социально значимой научно-технической задачей.
Рабочая гипотеза. Безопасность АТС, объективность экспертизы ДТП и качество сертификационных испытаний автомобильных шин можно значительно повысить, если учитывать закономерности, характеризующие процесс взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом.
Цель работы. Повышение безопасности автомобилей в условиях эксплуатации, объективности дорожно-транспортной экспертизы происшествий и совершенствование сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на основе учета закономерностей их сцепления со льдом.
Методы и средства исследования. Метод конечных элементов в исследовании процессов теплообмена в ледяном покрытии бегового барабана стенда; теория планирования эксперимента и математической статистики; численные методы математического анализа; экспериментальные методы исследования характеристик шин в стендовых условиях.
Объект исследования - процесс взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью, покрытой льдом.
Предмет исследования - Математические зависимости и графики, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей с опорной поверхностью покрытой льдом.
Достоверность полученных результатов обеспечена:
репрезентативностью выборок экспериментальных данных, применением методов статистической обработки результатов, теорией вероятности и математической статистики;
корректным применением регрессионно-корреляционного анализа, обеспечивающим сходимость результатов расчётных и экспериментальных исследований;
отсутствием противоречий с результатами ранее проведенных исследований другими учеными.
Научной новизной обладают:
-
Разработанное математическое описание процесса взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью, покрытой льдом, позволяющее моделировать движение автомобилей по обледенелым дорожным покрытиям.
-
Выявленные закономерности, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей со льдом, учитывающие их загруженность и начальную скорость, а также температуру льда.
-
Разработанная методика экспертизы ДТП, позволяющая значительно уточнять расчёты торможения и маневрирования автомобиля на обледенелых дорогах, с учетом выявленных закономерностей, характеризующих процесс взаимодействия шин со льдом.
-
Разработанная методика сертификационных испытаний шин легковых автомобилей в стендовых условиях, позволяющая определять их сцепные свойства со льдом, с погрешностью измерения коэффициентов
сцепления ±4 %.
Практическая значимость работы. Разработанная на основе характеристик сцепления шин методика и их аналитическое описание могут быть использованы центрами технической экспертизы для расчётов торможения и маневрирования в процессе расследования причин ДТП автомобилей на обледенелых покрытиях. Методика сертификационных испытаний шин может быть использована предприятиями, осуществляющими производство и продажу автомобильных шин при проведении процедуры сертификации.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Для значительного повышения точности моделирования параметров движения автомобилей по обледенелым дорожным покрытиям математическое описание должно учитывать особенности характеристик бокового увода и продольного проскальзывания шин на льду, а также режимы их взаимодействия с опорной поверхностью.
-
Объективность дорожно-транспортной экспертизы ДТП на льду может быть значительно повышена, если расчёты тормозного пути и установившегося замедления автомобиля на обледенелых дорогах, выполнять с учетом корректирующей зависимости и выявленных закономерностей, характеризующих процесс взаимодействия шин со льдом.
-
Для повышения безопасности эксплуатации автомобилей в условиях Российской Федерации нормативные документы должны содержать требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием, а методика сертификационных испытаний шин должна включать стендовые испытания, позволяющие измерять коэффициенты сцепления шин со льдом с погрешностью не более ±4 %.
Апробация работы. Материалы работы были доложены и одобрены на научно-технической конференциях, проходивших в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), г. Омск: на Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» в 2003 г.; на 43-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях крайнего Севера» в 2003 г.; на международной научно-технической конференции «До-рожно-транспортный комплекс, как основа рационального природопользования» в 2004 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» в 2006 г.; на IV Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, эксплуатация и боевая эффективность, наука и образование» «Броня 2008» в 2008 г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-5
транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» в 2009 г. На II Международной научно практической конференции «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта», проходившей в Иркутском государственном техническом университете (ИрГТУ) в 2009 г. На кафедре «Автомобили» Московского государственного технического университета «МАМИ» в 2012 г. Кафедре «Автомобильный транспорт» Иркутского государственного технического университета в 2013 г.
Реализация результатов работы. Разработанная методика испыта
ний шин внедрена в лаборатории испытаний шин кафедры «Организация и
безопасность движения» ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Проведены испытания
шин для фирмы «Michelin» (моделейKapnor3,Hakkapeliitta-1, «SevenHills»,
«Таганка» размером 195/65R15); для ОАО«Кировский шинный завод» (мо
делей К-205 «Метелица», KN-211 «Nordman» размером 195/65R15); для
ЗАО «Матадор-Омскшина» (моделей МР-56, М-261 «Таганка
SPEEDWAY», Hakkapeliitta NRW размером 185/70 R14); для ОАО «Омск-шина» (моделей: К-156-1, О-160 размером 185/70 R16).
Методика расчёта тормозного пути и установившегося замедления
автомобилей на обледенелых дорогах с учётом их загруженности, началь
ной скорости и температуры льда рекомендована Экспертно-
криминалистическим центром (ЭКЦ) МВД России по Омской области для
повышения объективности проведения дорожно-транспортной экспертизы
происшествий.
Результаты исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СибАДИ» при подготовке инженеров по специальностям «Организация и безопасность движения» и «Автомобили и автомобильное хозяйство».
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 203 страницах и состоит из введения, четырёх глав (содержат 33 таблицы и 115 иллюстраций), основных выводов, списка литературы (содержит 94 источника) и двух приложений (занимают 14 страниц).
Автор выражает искреннюю благодарность руководителю Малюгину Павлу Николаевичу и профессору Балакину Виталию Дмитриевичу за помощь в работе над диссертацией.
Механизм трения при скольжении резины по льду
Одной из главных проблем эксплуатации автомобилей является обеспечение безопасности дорожного движения, особенно в зимнее время года. Ежегодно в Российской Федерации регистрируется более 200 тыс. дорожно-транспортных происшествий [1]. В «Рекомендациях по обеспечению безопасности дорожного движения на автомобильных дорогах» [2] отмечено, что сцепные качества дорожного покрытия в значительной степени определяют длину тормозного пути автомобиля, оказывают большое влияние на его устойчивость и управляемость, поэтому являются важнейшим параметром, влияющим на безопасность движения. Как показывают многочисленные исследования [3, 4, 5 и др.], из-за снижения сцепления степень риска попасть в ДТП на покрытом снегом или льдом дорожном покрытии соответственно в 1,5 и 4,5 раз выше, чем на чистом сухом покрытии [6].
В соответствии с «Руководством по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах» [7] все виды снежно-ледяных отложений, образующихся на дорожном покрытии, по внешним признакам подразделяют на рыхлый снег, снежный накат, стекловидный лед. Определяют каждый вид скользкости по следующим признакам: - рыхлый снег откладывается на дорожном покрытии в виде ровного по толщине слоя. Плотность свежевыпавшего снега может изменяться от 0,06 до 0,20 г/см3. В зависимости от содержания влаги снег может быть сухим, влажным и мокрым. При наличии слоя рыхлого снега на дорожном покрытии коэффициент сцепления шин с покрытием снижается до 0,2; - снежный накат представляет собой слой снега, уплотненного колесами проходящего автотранспорта. Он может иметь различную толщину – от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров – и плотность от 0,3 до 0,6 г/см3. Коэффициент сцепления шин с поверхностью снежного наката составляет от 0,1 до 0,25; - стекловидный лед появляется на покрытии в виде гладкой стекловидной пленки толщиной от 1 до 3 мм и изредка в виде матовой белой шероховатой корки толщиной до 10 мм и более. Отложения стекловидного льда имеют плотность от 0,7 до 0,9 г/см3, а коэффициент сцепления составляет от 0,08 до 0,15. Этот вид зимней скользкости является наиболее опасным. Он образуется при выпадении дождя или мороси при отрицательных температурах вследствие замерзания жид ких атмосферных осадков на холодном покрытии, еще не успевшем прогреться после быстро наступившей оттепели, при замерзании талой или дождевой воды во время резкого наступления морозной погоды. Стекловидный лед образуется в ос новном при температуре от минус 3 до минус 6 С; отложения льда в виде матово белой корки (их плотность 0,5-0,7 г/см3) образуются во время появления плотного тумана с ветром, когда температура воздуха колеблется около 0 С. Можно выделить следующие пути увеличения сцепления шин автомобилей с обледенелым покрытием дороги: - со стороны дороги – борьба с зимней скользкостью; - со стороны автомобиля – повышение сцепных свойств шин и использование систем активной безопасности.
При зимнем содержании автомобильных дорог кроме уборки снега применяют химический, комбинированный, фрикционный и физико-химический способы борьбы с зимней скользкостью [7]. Цель зимнего содержания дорог заключается в том, чтобы снизить количество ДТП за счет удаления снега и льда с дорожного покрытия и тем самым улучшения условий сцепления шин колес автомобиля с дорожным покрытием.
Химический способ основан на использовании химических материалов, обладающих способностью при контакте со снежно-ледяными отложениями переводить их в раствор, не замерзающий при отрицательных температурах.
Комбинированный способ (химико-фрикционный) предусматривает совместное применение химических и фрикционных противогололедных материалов (ПГМ). Комбинированный способ применяют при необходимости ликвидации снежно-ледяных отложений и повышения коэффициента сцепления на них.
Фрикционный способ применяют на дорогах, расположенных в регионах с продолжительными и устойчивыми низкими температурами, или где использование отдельных химических ПГМ запрещено.
Физико-химический способ заключается в придании противогололедных свойств асфальтобетонному покрытию путем введения в асфальтобетонную смесь антигололедного наполнителя, который на поверхности покрытия создает гидрофобный слой, снижающий адгезию снежно-ледяных отложений к покрытию или предотвращающий их образование.
Использование шипованных шин позволяет существенно (до 1,5-2 раз) повысить коэффициент сцепления при движении автомобиля по сплошному льду или снежному накату. На чистых сухих асфальто- и цементобетонных покрытиях шипованные шины равны или уступают нешипованным [8, 9] из-за уменьшения площади контакта, вызванного выступанием шипа. При движении по дороге с участками сухого и обледенелого покрытия возможны резкие изменения коэффициента сцепления шипованной шины с поверхностью дороги, приводящие к увеличению тормозного пути, ухудшению управляемости автомобиля и возникновению аварийных ситуаций. Также известна проблема отрицательного воздействия шипованных шин на поверхность дороги вследствие интенсивного выкрашивания шипами противоскольжения частиц дорожного покрытия, приводящего к его быстрому износу и росту запыленности околодорожного пространства. Поэтому применение шипов противоскольжения в большинстве стран было или ограничено или полностью запрещено [10].
Применение систем активной безопасности позволяет в различных критических ситуациях сократить тормозной путь, сохранить курсовую устойчивость и управляемость автомобиля [11, 12].
Описание характеристики бокового увода
При перемещении одного тела по поверхности другого возникает механическое сопротивление перемещению - внешнее трение. В соответствии с современными воззрениями [13, 14], внешнее трение имеет двойственную природу и обусловлено преодолением сил молекулярного взаимодействия между поверхностями и механического сопротивления, связанного с деформацией поверхностных слоев.
Молекулярное взаимодействие двух контактирующих поверхностей обусловлено наличием на поверхности твердого тела атомов и молекул, находящихся в движении. Атомы и молекулы соприкасающихся тел взаимодействуют и связываются друг с другом. Образующиеся связи условно называют адгезией, понимая под этим все виды межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами. Адгезия зависит от сил взаимодействия между атомами, молекулами или функциональными группами контактирующих тел. Увеличение поверхностной энергии ведет к повышению адгезионных свойств поверхности. При контакте двух тел (рис. 1.1), на поверхности которых имеется избыточная энергия (поверхностное натяжение), образуется адгезионный шов.
Процесс внешнего трения представляет собой деформирование достаточно тонких поверхностных слоев каждого из соприкасающихся тел, сопровождающееся разрывом образовавшихся мостиков сварки или разрушениями на глубине, если прочность шва оказывается выше прочности нижележащего слоя. Одна и та же микрообласть поверхности может многократно участвовать в образовании фрикционных связей без повреждений. В конце концов, поверхностный слой разрушается, образуя частицы износа.
При сдвиге, помимо разрушения, идет процесс рекомбинации связей. Механизм разрушения адгезионного шва зависит от подвижности поверхностного слоя. Когда слой утрачивает свою подвижность, происходит механический обрыв связей.
Молекулярное взаимодействие эластомеров с твердым телом отличается от взаимодействия твердых тел. Резина является полимером, находящимся в высокоэластическом состоянии. В этом случае подвижность полимерных цепей велика и это определяет общие закономерности и природу молекулярного взаимодействия. Schallamach предположил [15], что механизм трения высокоэластических материалов является молекулярно-активационным по аналогии с вязким трением. Это предположение лежит в основе молекулярно-кинетической теории внешнего трения высокоэластических полимеров.
Согласно молекулярно-кинетической теории, предложенной Бартеневым [13], на поверхности полимера находятся участки цепей, которые совершают беспорядочные тепловые перемещения на поверхности твердого тела из одного положения в другое (рис. 1.2).
Возможны два состояния молекулярных цепей или их участков: 1) молекулярная цепь имеет контакт с твердой поверхностью; 2) молекулярная цепь не имеет контакта с твердой поверхностью. Молекулярные цепи могут переходить из 1-го состояния во 2-е и обратно.
Рис. 1.2 – Схема молекулярного контакта полимера с твердым телом: G – нормальная нагрузка; Fс – сдвигающая сила
Иное по форме, но аналогичное по смыслу, объяснение молекулярного взаимодействия дает механическая теория трения. Bulgin [16] предложил механи 18 ческую теорию трения, согласно которой поверхность полимера может быть представлена большим количеством микрошероховатостей, контактирующих с твердым телом. Каждый выступ шероховатости имеет размеры порядка 10-6 мм и образует с поверхностью контртела адгезионную связь (рис. 1.3). Связь может быть разорвана приложенной тангенциальной силой Fmax. При сдвиге полимера выступы микрошероховатости, удерживаемые адгезионной связью, будут деформироваться. После разрыва связи элемент стремится восстановить первоначальную форму, и часть энергии возвращается полимеру. При скольжении элемента процесс образования и разрыва связи повторяется.
Лёд представляет собой воду в твёрдом агрегатном состоянии – минерал. Лёд может существовать в трёх аморфных разновидностях и 15 кристаллических модификациях. В природных условиях лёд представлен главным образом одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии, с плотностью 931 кг/м3 (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 и размещенных в вершинах правильного тетраэдра. Структура льда является ажурной, что снижает его плотность.
Кристаллическая структура льда покрыта тонкой пленкой воды при температурах даже ниже точки плавления. Пленка обеспечивает переход от твердой структуры кристаллического льда к воде. Она имеет толщину из нескольких сотен молекул [18]. Fletcher [19] подтверждает теоретическими исследованиями, что пленка жидкости при 0 С имеет толщину более пятидесяти молекул. Пленка утончается с понижением температуры и исчезает при минус 12 С. В работе [20] дано экспериментальное подтверждение существования водной пленки между резиновым полушарием и ледяной поверхностью, по которой оно скользит.
Поскольку объем льда больше объема воды, из которой он образовался, то приложение небольшого давления к ледяному кристаллу приводит к его таянию. После снятия давления пленка воды замерзает из-за мгновенного расширения. Однако Bowden и Hughes показали простым вычислением удельного давления от лыж, что приложенного давления будет недостаточно, чтобы произвести заметное таяние льда [21]. Таким образом, скольжение по льду происходит поперек тонкой пленки воды, образовавшейся в результате приложенного давления и фрикционного таяния, причем доминирует фрикционное таяние [22]. Опыты показывают, что сила трения по льду увеличивается с понижением температуры окружающей среды, и это хорошо объясняется уменьшением таяния льда при более низких температурах.
Необходимо провести различие между жидкостными слоями, существующими между индивидуальными кристаллами льда и теми кристаллами, которые находятся на его границе. Одновременно с таянием ледяных кристаллов под действием нагрузки во внешней границе идет обратный процесс смерзания между внутренними кристаллами. Таким образом, процессы плавления и замерзания, протекают одновременно в различных поверхностях раздела. При этом внутреннее смерзание сопровождает фазу нагрузки, а внешнее смерзание – фазу разгрузки льда. Подробно про указанное явление можно прочитать в обзоре [23].
Таким образом, во внешней границе существует постепенный переход пленки от молекулярного состояния, соответствующего чистому льду, к чистой воде. Как следствие, нет определенной точки плавления льда. Уменьшение толщины пленки на границе льда происходит постепенно с уменьшением температуры, быстрое ее исчезновение не наблюдается. Между индивидуальными кристаллами льда вариация свойств пленки существенно меньше.
Силовая система стенда
Тензодатчики для измерения силовых параметров и потенциометрический датчик угла увода подключены по мостовой схеме к тензоусилителям.
Для измерения угловых скоростей колеса и барабана используются датчики угла поворота, вырабатывающие 1000 периодов импульсов на один оборот вала. Датчик угла поворота колеса установлен в стакане подшипников 4 (см. рис. 3.4) со стороны датчика боковой силы, а датчик угла поворота барабана – на станине стенда со стороны ременной передачи (см. рис. 3.1) и его вал связан с валом барабана. Импульсные сигналы датчиков подаются на входы преобразователей частота-напряжение, где преобразуются в аналоговые сигналы угловых скоростей колеса и барабана. Также импульсные сигналы подаются на входы десятичных счетчиков. По числу импульсов рассчитывается радиус качения колеса.
Предусмотрена периодическая калибровка датчиков сил. Предварительно датчики калибруются каждый в отдельности в демонтированном состоянии на специальном приспособлении. Затем выполняется калибровка всего динамометрического узла в сборе с осью (рис. 3.6) с помощью образцового динамометра растяжения ДОР-3М.
Датчик боковой силы Py калибруется в двух противоположных направлениях (см. рис. 3.6а). Для этого одна сторона динамометра Д соединяется тросиком со ступицей оси. Другая сторона соединяется шпилькой и гайкой с опорой, расположенной на раме устройства нагружения и поворота колеса. Нагружающая датчик сила P создается затягиванием гайки на шпильке. Контролируется сила P по показаниям образцового динамометра Д. Для калибровки в другом направлении динамометр крепится к противоположной опоре.
Датчики продольной силы Pxл и Pxп калибруются аналогичным образом. Они нагружаются силой, действующей в направлении действия тормозной силы (см. рис. 3.6б).
Для калибровки датчиков нормальной нагрузки Pzл и Pzп динамометр соединяется со ступицей оси тягой через полую ось устройства нагружения и поворота колеса (см. рис. 3.6в). Другой стороной динамометр соединяется шпилькой и гайкой с опорой, устанавливаемой на месте демонтируемого пневмобаллона.
Калибровка динамометрического узла в сборе с осью позволяет минимизировать взаимное влияние силоизмерительных датчиков, связанное с погрешностью монтажа и изгибом штанг. Если взаимное влияние превышает допустимые погрешности измерений (см. табл. 3.3), то производится его минимизация путем регулирования мест крепления штанг на раме устройства нагружения и поворота колеса. Датчик угла увода калибруется с помощью штанги, соединяемой с рамой устройства нагружения и поворота колеса. На конце штанги закреплена стрелка. При повороте рамы стрелка описывает дугу радиусом 2,5 м. Длина хорды 1 мм соответствует углу поворота рамы на угол 0,023. Нулевой угол поворота определяется по строительному уровню (ватерпасу), закрепленному на раме. Погрешность ватерпаса 0,029. При калибровке угол поворота рамы определяется по шкале, закрепленной под стрелкой.
Система управления предназначена для управления силовой системой стенда, а также усиления, ввода и обработки сигналов, вырабатываемых датчиками измерительной системы. Структурная схема системы представлена на рис. 3.7. Выделены элементы, изготовленные при модернизации стенда для проведения испытаний шин на льду.
Центральным элементом системы управления является компьютер. Цифровые входы и выходы компьютера подключены к коммутаторам каналов и аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Сигналы датчиков преобразуются соответствующими элементами в аналоговые сигналы, пропорциональные измеряемым величинам. Затем сигналы через коммутатор аналоговых каналов подаются на вход АЦП, преобразуются в цифровую форму и вводятся в компьютер. Сигналы управления исполнительными механизмами стенда проходят через коммутатор дискретных каналов.
Привод исполнительных механизмов стенда выполняется гидро- и пневмо-системами. Управление системами осуществляется в автоматическом и ручном режимах. В автоматическом режиме системы управляются от компьютера. В ручном режиме управление осуществляется с пультов гидро- и пневмосистем. Управление вращением бегового барабана осуществляется в ручном режиме с отдельного пульта.
Для компьютера написан пакет программ, включающий программы управления, тарировки, обработки информации и визуализации данных. Результаты испытаний сохраняются в виде массива данных. Информация выдается как в числовом виде, так и в графическом, что удобно для наглядного сравнения различных шин.
Оборудование для охлаждения барабана и создания покрытия изо льда Разработано оборудование для охлаждения барабана холодным атмосферным воздухом и создания ледяного покрытия (рис. 3.8).
Холодный воздух подается центробежным вентилятором 2, установленным снаружи лаборатории, по воздуховоду 1 к беговому барабану 6. Барабан закрыт теплоизолирующим кожухом 5. Из верхней части кожуха воздух отводится через воздуховод 8 центробежным вентилятором 7 в атмосферу. В кожухе 5 имеется прямоугольное окно для подвода испытуемого колеса 9 к барабану. Для получения ледяного покрытия на охлажденный беговой барабан распыляется вода пневмо-гидровытеснителем 11 через распылитель 12. В нижней части окна лёд срезается по всей ширине беговой дорожки резцом 10. Толщина льда устанавливается от 0 до 5 мм изменением зазора между резцом и барабаном.
Расход холодного воздуха регулируется заслонкой 4. При открытой заслонке барабан охлаждается. При закрытой заслонке вытяжной вентилятор подсасывает теплый воздух из лаборатории через дополнительное окно в кожухе 5 и барабан нагревается. Проведены исследования зависимости температуры барабана от температуры и объема подаваемого охлаждающего воздуха, определена постоянная времени установления температуры барабана, которая равна 40 мин.
Для контроля температуры воздуха установлены четыре спиртовых термометра 3: снаружи лаборатории, внутри лаборатории, внутри кожуха и в вытяжном воздухопроводе.По показаниям термометров, установленных снаружи и внутри лаборатории, выставляется положение заслонки. По данным двух других термометров косвенно оценивается температура барабана. Подобраны режимы охлаждения, позволяющие быстро и с высокой точностью установить необходимую температуру покрытия. Поскольку охлаждается барабан атмосферным воздухом, то испытания возможны лишь в зимний период при температуре атмосферного воздуха ниже минус 7 С.
Зависимости оценочных параметров характеристик бокового увода шин при качении по льду от различных факторов
На коэффициент бокового сцепления jymax основное влияние оказывают нормальная нагрузка на колесо, поступательная скорость колеса и температура льда. Коэффициенты корреляции находятся в пределах 0,9 … 0,99, что по шкале Чеддока (табл. 4.16) характеризуется как весьма высокая сила связи.
Для коэффициента продольного сцепления jxmax значимыми являются коэффициенты корреляции следующих факторов: нормальная нагрузка, поступатель 148 ная скорость колеса, температура льда и темп торможения колеса. Все коэффициенты характеризуются весьма высокой силой связи. Кроме того, у шины № 1 значимое влияние оказывает давление воздуха в шине. Коэффициенты корреляции находятся в пределах 0,7 … 0,9, что характеризуется как высокая сила связи.
Для всех факторов, включая не значимые по F-критерию, были рассчитаны значения критерия Стьюдента (t-значения) для проверки гипотезы о значимости частных коэффициентов корреляции. t-значения рассчитывались для уравнений регрессии в стандартизованном масштабе с уровнем значимости p равным 0,05 и числом степеней свободы равным 6. Результаты представлены на рис. 4.40 … 4.43. На графиках справа указаны влияющие факторы. В скобках указаны коэффициенты уравнений регрессии – квадратичный и линейный.
Результаты статистической обработки значений jy12, кр, jxб и Sxкр не приводятся, т. к. основными оценочными параметрами сцепных характеристик шин являются коэффициенты сцепления jymax и jxmax.
В табл. 4.17 указаны диапазоны, в которых находятся значения критического угла увода dкр, критического бокового проскальзывания Syкр и критического продольного проскальзывания Sxкр. Значения критического бокового проскальзывания рассчитаны по синусу угла увода.
Максимальные боковые силы достигаются при низких значениях угла увода 1,0 … 3,5. При движении автомобиля водителю довольно сложно ограничить Максимальные продольные силы достигаются при низких значениях продольного проскальзывания: 2 … 8 %. Поддержание при торможении автомобиля столь низкого проскальзывания колес с помощью антиблокировочной системы является сложной технической задачей. Рис. 4.43 – Значимость коэффициентов уравнений регрессии по критерию Стьюдента. Шина № 2, коэффициент jxmax Анализируя графики, можно сделать следующие выводы: 1) подтверждаются указанные выше значимые влияния факторов на коэффициенты сцепления по F-критерию; 2) выбор для уравнений регрессии полинома второго порядка в целом правильный, хотя некоторые квадратичные коэффициенты и оказались незначимыми; 3) наибольшее влияние на коэффициенты сцепления оказывает температура льда. С понижением температуры коэффициенты сцепления увеличиваются; 4) несколько меньшее влияние на коэффициенты сцепления оказывают нормальная нагрузка и поступательная скорость колеса. С увеличением нагрузки и скорости коэффициенты сцепления уменьшаются; 5) давление воздуха в шине оказывает значимое влияние только на коэффициент продольного сцепления jxmax шины № 1; 6) толщина льда оказывает незначительное влияние на коэффициенты сцепления. С увеличением толщины льда коэффициенты сцепления уменьшаются; 152 7) скорость поворота колеса оказывает незначительное влияние на коэффициент бокового сцепления jymax. С увеличением скорости поворота коэффициент бокового сцепления увеличивается; 8) темп торможения колеса оказывает значимое влияние на коэффициент продольного сцепления jxmax обеих шин. С увеличением темпа торможения коэффициент продольного сцепления шины № 1 уменьшается, а зависимость для шины № 2 образует максимум; 9) характер протекания зависимостей и числовые данные соответствуют данным, полученным другими исследователями (см. п. 1.6); 10) числовые значения оценочных параметров для двух зимних шин отличаются незначительно. Средние значения коэффициента бокового сцепления двух шин различаются на 5,5 %, а коэффициента продольного сцепления на 6,2 %. 11) значения критерия Стьюдента для факторов: давление воздуха в шине, толщина льда, скорость поворота колеса и темп торможения колеса в несколько раз меньше значений для температуры льда, нормальной нагрузки на колесо и поступательной скорости колеса.
Методика сертификационных испытаний шин на льду в стендовых условиях
При разработке методики основное внимание уделено стандартизации условий, при которых проводятся испытания с целью единообразного проведения измерений. Необходимость стандартизации обусловлена значительным влиянием эксплуатационных факторов на сцепные характеристики шин. Также методикой устанавливаются требования к точности измерений силовых и кинематических параметров и порядок обработки и оценки результатов испытаний.
Стандартизируемые условия должны отражать эксплуатационные факторы, влияющие на величину коэффициента сцепления в реальных дорожных условиях: - нормальную нагрузку на колесо Pz; - давление воздуха в шине pв; 153 - поступательную скорость колеса 14; - температуру льда tл; Также необходимо учитывать факторы, характеризующие условия испытаний или обусловленные используемым оборудованием: - толщину льда /?л; - скорость поворота колеса b = db/ dz - приращение значения угла увода за единицу времени ; - темп торможения колеса М =dM I dx - приращение значения тормозного т т / момента Мт за единицу времени . Результаты экспериментального исследования влияния указанных факторов на сцепные характеристики зимних шин легковых автомобилей со льдом представлено в п. 4.3. В табл. 4.18 представлены коэффициенты регрессии В (угловые коэффициенты) в диапазонах изменения факторов.
Коэффициенты регрессии будем использовать для коррекции значений коэффициентов сцепления, принимаемых по методике дорожно-транспортной экспертизы происшествий на дорогах, покрытых льдом в п. 4.6 и для расчёта погрешности, с которой должны поддерживаться на заданных уровнях указанные в таблице факторы для обеспечения необходимой точности измерения коэффициентов сцепления при испытаниях шин.
В России измерение коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием производится в соответствии с требованиями стандарта [85]. Этот документ предусматривает использование в качестве испытательного оборудования автомобильной установки ПКРС-2. Общая погрешность измерений составляет ±4 %. Требования для стендовых испытаний не регламентируются. В стандарте США [66] для стендовых испытаний рекомендуется использовать оборудование с погрешностью измерений не превышающей ±2 %. При этом считается, что фактическая погрешность составляет ±4 %. Основываясь на этих данных, суммарное влияние факторов на коэффициенты сцепления рассчитаем для трех значений погрешности измерения коэффициентов сцепления: ±2, ±3 и ±4 %. По полученным «вкладам» в погрешность каждого фактора и коэффициентам регрессии найдем диапазоны, в которых должны находиться факторы при испытаниях. По результатам расчётов выберем достижимую погрешность.
Для расчётов используем общие правила суммирования погрешностей. В работе [86] указано, что погрешность сложных измерительных приборов зависит от погрешностей отдельных его узлов (блоков). Пусть, например, измерительный прибор состоит из т блоков, каждый из которых обладает независимыми друг от друга случайными погрешностями.
