Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цели и задачи исследования 10
1.1 Влияние шин на эксплуатационные качества автомобиля 10
1.2 Изменение технического состояния автомобильных шин в процессе эксплуатации 18
1.3 Анализ существующих методов и средств для испытания и диагностирования автомобильных шин 31
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 39
2 Аналитическая модель автомобильной шины 41
2.1 Математическое моделирование упругих свойств автомобильной шины 41
2.2 Теоретическое исследование динамической жесткости и коэффициента затухания свободных колебаний шины 50
2.2.1 Коэффициент затухания свободных колебаний и логарифмический декремент колебаний 50
2.2.2 Определение динамической жесткости по затухающим колебаниям шины 53
2.3 Система уравнений, определяющая движение транспортного средства 56
2.4 Выводы 61
3 Методика проведения исследований и обработка экспериментальных данных 63
3.1 Общая структура и оборудование для экспериментальных исследований 63
3.2 Методика исследования жесткостных и демпфирующих свойств шины 68
3.2.1 Методика исследования статической жесткости шины 68
3.2.2 Методика исследования динамических характеристик шины 69
3.3 Методика определения однозначности диагностических параметров в зависимости от давления в шине по критерию равенства ряда средних значений 75
3.4 Методика статистической оценки экспериментальных данных 77
3.5 Выводы 78
4 Анализ результатов экспериментальных исследований 79
4.1 Влияние внутреннего давления на статическую жесткость шины .79
4.2 Исследование влияния внутреннего давления на коэффициент затухания свободных колебаний шины 85
4.3 Влияние внутреннего давления на динамическую жесткость шины...94
4.4 Выводы 104
5 Технико-экономическая эффективность использования результатов исследований 105
5.1 Практические рекомендации по использованию результатов исследований 105
5.1.1 Диагностические нормативы для автомобильных шин 105
5.1.2 Комплектование автомобилей шинами 109
5.2 Оценка экономической эффективности при изменении метрологических показателей диагностирования шин 112
5.3 Определение потерь от недостоверности измерительной информации по статьям себестоимости технического обслуживания и текущего ремонта 116
5.4 Выводы 118
Общие выводы 120
Список литературы
- Изменение технического состояния автомобильных шин в процессе эксплуатации
- Теоретическое исследование динамической жесткости и коэффициента затухания свободных колебаний шины
- Методика исследования жесткостных и демпфирующих свойств шины
- Исследование влияния внутреннего давления на коэффициент затухания свободных колебаний шины
Введение к работе
Актуальность темы. Основные задачи, стоящие перед автомобильным транспортом, это увеличение пробега автомобиля, снижение себестоимости автомобильных перевозок, повышение комфортабельности и безопасности движения. Шины осуществляют непосредственную связь автомобиля с дорогой и, как следствие, оказывают существенное влияние на все перечисленные факторы.
В общем объеме затрат на автомобиль в процессе эксплуатации расходы на приобретение и ремонт шин составляют от 5 до 15 %, в зависимости от условий эксплуатации, качества и своевременности обслуживания. По результатам анализа рекламаций, поступающих на заводы-изготови-тели, около 30 % шин выходят из строя до выполнения установленных норм пробега из-за дефектов не связанных с износом протектора.
Согласно правилам ЕЭК ООН № 30, шина пригодна к эксплуатации, если после испытания на ней не наблюдается отделения протектора от каркаса, отслоения друг от друга соседних слоев, отделения корда от его резинового покрытия, отрывов или разрывов корда. Значительная часть этих дефектов являются скрытыми и не диагностируются в процессе эксплуатации шин. Диапазон способов обнаружения дефектов достаточно широк: от визуального до автоматизированного, с применением средств неразрушающего контроля. В первом случае страдает качество, а во втором резко увеличивается себестоимость восстановления.
Таким образом, своевременное и доступное диагностирование технического состояния шин позволит повысить эффективность их эксплуатации, снизить травматизм на дорогах. В связи с этим актуальными являются вопросы повышения эффективности эксплуатации автомобильных шин.
Цель работы – повышение безопасности эксплуатации автомобильных шин на основе разработанного метода диагностирования шин по показателям их динамических характеристик (динамической жесткости и коэффициента затухания колебаний).
Для достижения данной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
разработать математическую модель изменения упругих свойств шины в зависимости от давления воздуха, нагрузки на колесо и геометрических параметров;
разработать метод диагностирования автомобильных шин по параметрам упругих свойств;
провести расчетно-аналитические исследования влияния жесткости шин различных моделей на колебания автомобиля;
разработать практические рекомендации по комплектованию автомобилей шинами и обоснованию экономической эффективности при использовании предлагаемого метода диагностирования шин.
Объект исследования – процессы диагностирования шины легковых автомобилей и определение их эксплуатационных свойств.
Теоретическая и методологическая основа исследования. Диссертационное исследование проведено на основе научных трудов отечественных и зарубежных специалистов по проблемам эффективности эксплуатации автомобильных шин, повышения качества обслуживания и диагностирования шин, математического моделирования эксплуатационных свойств шины и колебательной системы автомобиля в целом. В качестве инструментов исследования были использованы основные положения механики деформированного твердого тела, теории колебаний и планирования экспериментов, методы корреляционного и дисперсионного анализа.
Научная новизна работы состоит в развитии теоретических основ моделирования изменения упругих свойств шин, в разработке научных и практических методов оценки эксплуатационных свойств шин по параметрам динамических характеристик.
На защиту выносятся наиболее значимые результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
математическая модель для определения жесткости автомобильных шин, которая учитывает влияние давления воздуха, нагрузку на колесо, геометрию шины, физико-механические свойства материалов шины;
метод расчета параметров динамической жесткости автомобильной шины в режиме свободных колебаний;
аналитические исследования колебательной системы автомобиля при различных характеристиках жесткости шин;
Практическая значимость. Предлагаемые в работе теоретические положения, методологические подходы и модели являются научной основой и одним из способов разработки мероприятий по повышению эффективности и безопасности эксплуатации автомобилей и рекомендуются к использованию при разработке технологии обслуживания автомобилей и в практической деятельности предприятий автосервиса.
Отличие научных результатов от других работ по данному направлению заключается в определении скрытых дефектов автомобильных шин с использованием в качестве диагностических параметров величин динамической жесткости и коэффициента затухания колебаний шины.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях и семинарах: ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» (Саратов, СГТУ, 2005-2008 гг.); международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности «ЛЭРЭП-2-2007» (Саратов, СГТУ, 2007 г.); международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение» (Одесса, 2007); 9-й международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация-2008» (Барнаул, АлтГТУ, 2008 г.); международной научно-практической конференции «Динамика научных исследований – 2008» (София, 2008); международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, СГТУ, 2008 г.).
Реализация результатов работы. Теоретические, научно-методические и прикладные исследования используются: на ООО «Вираж- ПС» при диагностировании автомобилей для уменьшения затрат на шины; на ОАО «Автоколонна № 1181» при формировании рациональной схемы технологического процесса обслуживания и ремонта автомобилей для обеспечения их эксплуатационной безопасности.
Личный вклад автора заключается в определении цели диссертационной работы, в постановке задач и их решения, в разработке методологических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов к оценке эффективности инновационного потенциала на всех этапах выполнения диссертации – от научного поиска до реализации их на практике.
Публикации. Основные теоретические положения и научно-практические результаты опубликованы в 14 научных статьях, в том числе получен 1 патент на полезную модель и 1 статья в издании, включенном в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Структура и последовательность изложения результатов диссертационной работы определены целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит 148 стр. текста, 3 табл., 44 рис. Библиографический список включает 146 наименований.
Изменение технического состояния автомобильных шин в процессе эксплуатации
Надежность шины определяется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохранностью. Надежность в эксплуатации главным образом определяется долговечностью и ремонтопригодностью. Из-за дефектов, вызванных усталостными разрушениями элементов шины, из эксплуатациивыходят приблизительно 30 % шин, а по износу - около 50 % [36, 37, 87]. Шины, вышедшие из эксплуатации по износу, подлежат ремонту методом наложения протектора, если внутренние слои не подверглись разрушению. Шины, вышедшие из эксплуатации из-за разрушений их элементов, дальнейшему восстановлению не подлежат. Кроме того, дефекты из-за разрушений возникают внезапно, что приводит к аварийным ситуациям и существенно снижает безопасность движения. В настоящее время эти дефекты практически не диагностируются. В связи с этим около 40 % шин грузовых автомобилей и почти 30 % [32] шин легковых автомобилей выходят из строя до выполнения установленных норм пробега. Пробег шин при эксплуатации по дорогам группы Б на 20...25 %, а на дорогах группы В на 40...50 % нилсе, чем на дорогах группы А (по данным НИИШП). По влиянию на долговечность шин дороги принято делить на 3 группы в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия: А - дороги с усовершенствованным покрытием (асфальтобетон, брусчатые мостовые) в удовлетворительном состоянии; Б -все виды дорог, кроме дорог группы А, в удовлетворительном состоянии; В -все виды дорог в неудовлетворительном состоянии [131, 80]. По данным Кис-лицина Н.М. и соавторов [45], при эксплуатации автомобилей на дорогах группы Б число невосстанавливаемых отказов составило 18 и 5 % соответственно для шин радиальной конструкции и шин диагональной конструкции. Это свидетельствует о нарушенном техническом состоянии автомобилей, низком качестве технического обслуживания шин и агрегатов, влияющих на интенсивность их износа. Изменению технического состояния шин транспортных средств посвящены работы [3,4, 16,17,25, 44, 50 , 65, 72,110 , 137].
В целом ресурс будет зависеть от всех причин отказов, по которым шины обычно снимаются с эксплуатации. Чем больше преждевременных отказов, тем меньше средний фактический пробег. Сказанное можно представить графической моделью формирования среднего ресурса партии шин (магистральные перевозки промышленных грузов) в зависимости от вероятности F(L) возникновения каждого из видов отказов (рисунок 1.4) [136]. Одноименные отказы формируют подгруппы шин, которые представлены следующими кривыми: 1 - средний ресурс партии шин; 2 - отказ по износу (всех видов) протектора до предельного состояния; 3 — отказ по повреждениям в зоне протектора; 4 - отказ по повреждениям в зоне боковины; 5 - прочие отказы; 6 - вероятность изъятия шин только по равномерному износу протектора до предельного состояния (характеристика потенциальных свойств шины).
В подгруппе 5 для удобства изложения собраны все остальные причины (износ до нитей корда, отрыв борта, вздутия, волнистость по боковине и пр.). Участок всех кривых, где начинается стабилизация значений (горизонтальная часть), соответствует итоговой вероятности возникновения конкретного отказа.
При сравнении моделей формирования ресурса шин, изготовленных разными производителями, выявлена характерная закономерность. Их потенциальные ресурсы, полученные по результатам «идеальной» эксплуатации (пунктирная кривая), могут разниться более чем в 3 раза. Но вероятности возникновения повреждений отличаются примерно в 1,5 раза. Здесь сказываются не столько свойства самой шины, сколько условия эксплуатации и вождения. Поэтому шина с хорошим потенциалом, получив повреждение, не реализует значительной части своего ресурса и, естественно, стоимости. На срок службы шин влияют: величина внутреннего давления, нагрузка, скорость движения, состояние дороги, климатические условия, качество вождения и др.
Пониженное внутреннее давление вызывает не только перегрев шины и расслоение каркаса, но и преждевременный износ протектора. Это происходит вследствие неравномерного распределения удельных давлений в плоскости контакта. В этом случае шина деформируется таким образом, что средняя часть беговой дорожки прогибается внутрь и вся нагрузка передается на крайние зоны протектора
Теоретическое исследование динамической жесткости и коэффициента затухания свободных колебаний шины
Базой поиска новых представлений в теории автомобиля служит приложение теории колебаний и подрессоривания к оценке силовых взаимодействий в ходовой части автомобиля. Колебания автомобиля вызываются возмущающими силами, разнообразными по природе, характеру действия и направлению. Основным источником возмущения колебаний транспортных средств являются неровности поверхности дороги. Так как для оценки свойств шин предлагается использовать понятия теории колебаний, принята кинематическая схема, представленная на рисунке 2.6. Кинематическая схема стенда представляет собой механическую систему с одной степенью свободы, находящуюся в состоянии равновесия. Во время испытания точкам механической системы (колесу) сообщают отклонения и малые начальные скорости, тогда система (колесо) совершает свободные колебания около положения устойчивого равновесия. Такая система с одной степенью свободы описывается линейными дифференциальными уравнениями [12, 34, 90, 135]. Свободные затухающие колебания происходят при наличии сил сопротивления, вызывающих рассеивание механической энергии. В рассматриваемой системе в качестве сил сопротивления выступают подшипники опоры и шина. Сопротивление подшипниковых опор по сравнению с поглощающей способностью шины очень мало. Следовательно, затухание колебаний системы полностью определяется коэффициентом затухания шины. В то же время, согласно [104], шина представляет собой систему с малым сопротивлением. В самом общем случае дифференциальное уравнение свободного движения системы имеет вид: q + 2-n-q + C02-q =0, (2.19) где n - коэффициент затухания (1/c); со - частота свободных незатухающих колебаний (1/c); q - обобщенная координата (м).
В уравнении (2.19) в качестве обобщенной координаты выступает перемещение оси колеса относительно положения равновесия. В случае малого сопротивления п со, тогда решение уравнения свободных затухающих колебаний (2.18) имеет следующий вид: q = A-e n t-sin(co + i/), (2.20) где А - начальная амплитуда колебаний (м); if/ - начальная фаза колебаний (); t - условное время затухания колебаний (с). Графически уравнение (2.20) представляет собой синусоидальную кривую, ограниченную кривой (рисунок 2.7): q = A-e nt. (2.21)
Отклонения q системы с течением времени убывают по экспоненциальному закону, асимптотически приближаясь к нулю. Интенсивность убывания амплитуды колебаний целиком зависит от коэффициента затухания п. С другой стороны, для характеристики затухающих колебаний используется понятие логарифмического декремента колебаний, который характеризует относительное изменение амплитуды колебаний за условный период [117]: 6 = 1п- -, (2.22) -A-i+i где АІ амплитуда колебаний /-го полупериода (м); Аі+1 - амплитуда колебаний следующего полупериода (м).
Таким образом, для характеристики демпфирующих свойств рассматриваемой колебательной системы можно использовать два идентичных показателя: логарифмический декремент колебаний; коэффициент затухания колебаний [115], [121]. При определении демпфирующих свойств предполагается использование амплитуд колебаний только положительного знака. Из определений логарифмического декремента колебаний и коэффициента затухания колебаний следует, что демпфирующие свойства шины увеличиваются с ростом величины логарифмического декремента и коэффициента затухания колебаний.
При затухающих колебаниях представленной выше системы происходит нагружение шины динамической силой. Следовательно, используя график затухающих колебаний, можно определить динамическую жесткость шины. При этом основная трудность заключается в определении динамической нагрузки, которая в этом случае является ударной. В связи с этим динамическую жесткость определим из сравнения работ, совершаемых силой тяжести и силой упругости шины. Исходными данными для определения динамической жесткости являются величины прогибов и отскоков шины, определяемые по осциллограмме затухающих колебаний. Процесс колебаний колеса при испытании на установке можно разделить на четыре этапа: 1. отрыв колеса от опорной поверхности - подъем на максимальную высоту; 2. падение с максимальной высоты - соприкосновение с опорной поверхностью; 3. соприкосновение с опорной поверхностью - увеличение прогиба до максимального;
Методика исследования жесткостных и демпфирующих свойств шины
Методика определения статической жесткости основана на отраслевой нормали «Методы определения параметров, влияющих на плавность хода автомобиля» [69]. Статическая жесткость определяется по радиальной упругой характеристике шины. Радиальной упругой характеристикой шины называется зависимость между радиальной нагрузкой, действующей на шину, и ее радиальной деформацией. Для определения статической жесткости шины колесо, установленное на стенде, нагружают статической нагрузкой (рисунок 3.5), при этом проводятся измерения прогибов шины. Тарировка проводится через интервалы нагрузок, равные 10 - 20 % статической нагрузки, приходящейся на шину, для автомобиля с полной нагрузкой при фиксированном давлении. Замеры деформации проводятся при нагружении и разгрузке шины. По экспериментальным данным строится график радиальной упругой характеристики шины (рисунок 3.6) [128]. Для определения радиальной жесткости шины проводится средняя линия между кривыми нагрузки и разгрузки. Жесткость шины С равна тангенсу угла наклона касательной к средней линии, проведенной в точке, соответствующей статической нагрузке: C = P/fm, (3.1) где Р - нагрузка на шину (Н); fIU - прогиб шины (м).
Жесткость шины выражается в Н/м (кгс/см). Строится ряд упругих характеристик шины при изменении давления от 0,1 до 0,3 МПа с шагом 0,02 МПа. На основании серии упругих характеристик шины строится график зависимости жесткости шины от давления.
При проведении динамических испытаний колесо с испытуемой шиной монтируют на стенд (рисунок 3.2) и фиксируют в одном из шести положений. Возмущение затухающих колебаний осуществляется практически мгновенным сбрасыванием колеса на опорную площадку стенда. Перемещение колеса в процессе колебаний регистрируется на осциллограмме. Эксперименты проводят при фиксированном давлении. Для определения влияния давления в шине на ее динамические характеристики испытания проводят при изменении давления от 0,1 до 0,3 МПа с шагом 0,02 МПа. При выявлении дефектов в шине и для определения степени неоднородности шины измерения динамических характеристик проводят через каждые 60 по окружности шины. Это соответствует
шести фиксированным положениям шины на стенде (рисунок 3.7), при этом фиксация проводится с помощью специального механизма (рисунок 3.8). Затухание свободных колебаний происходит в среднем за 14 - 16 циклов. Использование при расчетах полного цикла колебаний нецелесообразно из-за малости, по сравнению с начальными амплитудами колебаний, последних амплитуд колебаний. Использование малого числа колебаний приводит к ошибкам в расчетах, так как начальная амплитуда колебаний (высота сбрасывания), по условию эксперимента, является величиной постоянной. В связи с этим различия в динамических характеристиках проявляются с увеличением числа колебаний. Следовательно, оптимальным является использование для расчетов восьми первых полных колебаний. Кроме того, следует исключить из рассмотрения первые осциллограммы при каждой новой серии экспериментов. Это необходимо в связи с особыми свойствами материалов, входящих в состав шины, которые рассматривались в главе 2.
По осциллограмме свободных колебаний (рисунок 3.9) определяются величины прогибов и отскоков шины, которые являются исходными данными для расчетов коэффициента затухания свободных колебаний и динамической жесткости шин. В общем случае математическое описание рассматриваемого процесса выражается в виде уравнения регрессии: У = Ьо-еЬ, Х, (3.2) где bo, bj - коэффициенты уравнения регрессии; у - функция отклика; х - фактор.
В силу различных погрешностей измерения и возможных отклонений действительного процесса гашения колебаний от выбранной формы его описания подстановка экспериментальных данных в уравнение не дает точного совпадения показателей, определяемых из решения. Поэтому задача состоит в отыскании вероятного значения коэффициентов, удовлетворяющих уравнению (3.2) с наилучшим приближением.
Исследование влияния внутреннего давления на коэффициент затухания свободных колебаний шины
В результате статистической оценки экспериментальных данных (п. 3,5) при значении надежности а=0,95 величина относительной погрешности не превышает 0,92 %. В таблице 4.1 и на рисунке 4.7 представлен пример обработки результатов экспериментальных данных [121]. После аппроксимации экспериментальных данных в соответствии с методикой, представленной выше (п. 3.3), получаем следующее уравнение регрессии: У = Ьохеь = 1,79хе- 4977хх. (4.1)
Величина достоверности аппроксимации равна 0,983. По результатам серии экспериментов построены поверхности зависимости прогибов и отскоков шины при свободных колебаниях в зависимости от времени колебания и давления в шине (рисунок 4.8). Из графиков следует, что при изменении давления разница в амплитуде отскоков шины увеличивается с увеличением времени колебаний, а разница в амплитуде прогибов шины уменьшается с увеличением времени колебаний. Кроме того, амплитуда прогибов шины меньше амплитуды отскоков шины. Это связано с меньшей нагрузкой на шину при испытании по сравнению с нагрузкой при установке на автомобиль. Для исследования коэффициента затухания свободных колебаний шин проведены испытания различных моделей шин. Результатом расчетов являются зависимости коэффициента затухания свободных колебаний от давления в шине. На графике (рисунок 4.9) представлены зависимости коэффициента затухания свободных колебаний от давления для шин моделей Бл-85, Я-660, Я-400, ВС-11, И-391 размерностью 175/70 R13. График показывает, что с увеличением давления в шине коэффициент затухания свободных колебаний уменьшается. В зависимости от модели шины, величина коэффициента затухания свободных колебаний изменяется до 10 %. Рассмотрим изменение коэффициента затухания свободных колебаний на примере шин моделей И-391 размерностью 175/70 R13, К-190М (для зимней эксплуатации) той же размерности и B-650AQ размерностью 185/65 R13. Для указанных шин диапазон разброса экспериментальных значений коэффициента затухания свободных колебаний в зависимости от внутреннего давления составляет 0,246 - 0,514, то есть изменяется более чем в 2 раза. На графике (рисунок 4.10) показаны области разброса экспериментальных значений. Диапазон разброса экспериментальных значений коэффициента затухания свободных колебаний составляет 0,3 - 2 %, в зависимости от давления воздуха, которое регулируется в пределах от 0,14 до 0,3 МПа. Из анализа графика следует, что у шин модели B-650AQ коэффициент затухания свободных колебаний в зависимости от давления изменяется с 0,514 до 0,44, что составляет 16 %. Коэффициент затухания свободных колебаний у шин модели И-391 уменьшается с 0,27 до 0,302, а у шин модели К-190М с 0,274 до 0,25, что составляет 10,6 % и 8,75 %, соответственно. При этом в диапазоне давлений от 0,18 до 0,22 МПа изменения коэффициента составляют максимум 4 %. Кроме того, существенным является относительное изменение коэффициента затухания свободных колебаний в зависимости от модели шин (рисунок 4.11).
Для определения относительного изменения коэффициента примем величину коэффициента затухания свободных колебаний шины модели И-391 за 100 %. Тогда для шин моделей И-391 и К-190М, размерностью 175/70 R 13 различие в коэффициенте затухания свободных колебаний составляет 7 - 9 %, а для шины И-391 и шины модели B-650AQ размерностью 185/65 R 13 эта разница достигает 38 - 50 %. Проведенный анализ показал, что шины различных моделей отличаются по величине коэффициента затухания свободных колебаний. При этом изменение давления в шине оказывает незначительное влияние на величину коэффициента затухания свободных колебаний.
В результате испытаний шин с дефектами получены следующие результаты по изменению величины коэффициента затухания свободных колебаний [120]. При наличии дефекта в шине на дефектном участке происходит уменьшение абсолютных значений и увеличение разброса экспериментальных данных. Результаты экспериментов рассмотрим на примере шин модели И-391. На графике (рисунок 4.12) показано изменение коэффициента затухания свободных колебаний в зависимости от давления для исправных участков шины и для участка шины с дефектом. На дефектном участке коэффициент затухания свободных колебаний по сравнению с исправной шиной уменьшается с 0,302 -0,304 до 0,290 - 0,297 при давлении 0,14 МПа, а при давлении 0,3 МПа коэффициент уменьшается с 0,267 - 0,272 до 0,254 - 0,260. Таким образом, на дефектном участке наблюдается уменьшение коэффициента затухания свободных колебаний на 4 - 6,4 % по сравнению с исправными участками шины при изменении давления от 0,14 до 0,3 МПа (рисунок 4.13)
