Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 5
1.1 Анализ влияния типа и конструкции шин на эксплуатационные свойства автомобиля 5
1.2 Анализ динамики и кинематики колеса с пневматической шиной 10
1.3 Анализ проскальзывания и скольжения колеса 12
1.4 Анализ влияние конструктивных и эксплутационных факторов на коэффициент сопротивления качению и нагрузку на колесо 20
1.5 Анализ технического состояния шины и факторов, влияющих на безопасность дорожного движения 29
2 Теоретическое обоснование эксплуатационных характеристик колес с пневматической шиной 47
2.1 Математическое моделирование качения деформированного колес с деформируемой шиной 47
2.2 Моделирование скорости колеса в активном режиме 52
2.3 Определение эквивалентного радиуса колеса 55
2.4 Определение силовых характеристик в зоне контакта шины с поверхностью 60
3 Экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик шины 66
3.1 Общий подход к проведению экспериментальных исследований 66
3.2 Анализ известных методик определения эксплуатационных характеристик шины 66
3.2.1 Определение характеристики упругости шины 66
3.2.2 Определение тангенциальной жесткости по методике МГТУ «МАМИ» 72
3.3 Методика проведения эксперимента 76
3.3.1 Последовательность проведения эксперимента с использованием лабораторного стенда 80
3.3.2 Методика измерение тангенциальной жесткости шины 81
3.3.3 Методика измерение радиальной жесткости шины 81
4 Анализ результатов экспериментальных исследований
4.1 Анализ влияния параметров дороги и шины на длину зоны не проскальзывания 84
4.2 Анализ влияния параметров дороги и шины на максимальный крутящий момент 93
4.3 Анализ результатов измерений тангенциальной жесткости 105
4.4 Аппроксимация результатов эксперимента 116
4.5 Анализ результатов измерения радиальной жесткости и аппроксимация полученных данных эксперимента 118
5 Технико-экономическая эффективность использования результатов исследований 130
5.1 Практические рекомендации по использованию результатов исследований 130
5.2 Оценка экономической эффективности при использовании диагностических показателей шин 131
Общие выводы 135
Литература 137
Приложения 148
- Анализ динамики и кинематики колеса с пневматической шиной
- Моделирование скорости колеса в активном режиме
- Анализ известных методик определения эксплуатационных характеристик шины
- Анализ влияния параметров дороги и шины на максимальный крутящий момент
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, при этом конструирование автомобиля начинают с выбора шины, диска (колеса в сборе), после чего производят расчет автомобиля в целом.
Как правило, на предприятиях автомобильного транспорта, подбирают шины для автомобилей и автобусов, исходя из посадочного радиуса колеса и типоразмера, поэтому зачастую происходит ошибочный выбор шин для тех или иных автомобилей и автобусов, что приводит к преждевременному выходу шины из строя, в связи с неправильным внутренним давлением и перегрузкой колеса. Давление в шинах, несоответствующее оптимальному, при данных условиях эксплуатации, всего на 0,02 МПа, снижает ее долговечность уже на 15%, на 0,06 МПа – на 45%. Наряду с этим, с понижающимся давлением в шинах возрастает расход топлива за счет повышенной работы сминания резины шин, которая неизбежно повышает сопротивление качению. Причиной повышенного износа может быть также слишком высокое давление воздуха в шинах. Своевременное и объективное диагностирование эксплуатационных параметров шин позволит повысить эффективность использования автомобилей и сократить расходы на перевозки.
Изложенное выше подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение научно-практической задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы – повышение эффективности эксплуатации автомобилей путем установления и достижения рациональных значений характеристик их шин.
Для достижения цели поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Установление факторов, влияющих на скорость автомобиля и выявление степени их воздействия.
-
Проведение сравнительного анализа скорости качения деформированного колеса с помощью геометрического и кинематического расчетов для выяснения степени отличия от качения абсолютно жёсткого колеса.
-
Анализ влияния эксплуатационных параметров колеса с пневматической шиной на показатели, снижающие скорость его движения.
-
Разработка математической модели для определения параметров жесткости автомобильных шин.
-
Разработка стенда и методов определения значений показателей, наиболее влияющих на уменьшение скорости колеса и расхода бензина. Получение экспериментальных данных.
-
Апробация методики и экспериментальной установки в условиях автопредприятия. Выяснение степени экономической целесообразности внедрения результатов исследования.
Объект исследования – автомобильная шина и рабочие процессы взаимодействия автомобильного колеса с дорожным покрытием.
Теоретическая и методологическая основа исследования. В диссертационной работе проведен анализ исследований отечественных и зарубежных учёных по проблемам эффективности работы автомобильных шин и их ресурса при различных условиях эксплуатации. Произведено математическое моделирование скорости колеса автомобиля для различных эксплуатационных условий. Инструментами исследования послужили основные положения механики деформированного твердого тела, теории планирования экспериментов, методы графического анализа.
Научная новизна исследования состоит в развитии теоретических подходов учета эксплуатационных характеристик автомобильных шин, влияющих на изменение скорости автомобиля и возможностей регулирования их значений для снижения затрат на перевозки.
На защиту выносятся наиболее значимые результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
теоретически-аналитические результаты и метод расчета скорости движения автомобиля в зависимости от условий эксплуатации и свойств шин;
теоретико-аналитические разработки и методика расчета длины зоны непроскальзывания поверхности колеса автомобиля относительно опорного дорожного покрытия;
научные подходы и математическая модель для определения жесткости автомобильных шин, которая учитывает влияние давления воздуха в шине, нагрузку на колесо, геометрию и физико-механические свойства материалов шины;
предложенные диагностические параметры и методы расчета их значений – коэффициенты радиальной и тангенциальной жесткостей автомобильных шин, позволяющие выбирать рациональные эксплуатационные параметры колёс автомобилей, работающих в заданных условиях.
Практическая значимость. Разработанные в диссертации теоретические положения, научно-методические подходы, методики и модели являются научной основой и одним из способов разработки мероприятий по повышению эффективности эксплуатации автомобилей и рекомендуются использовать в автотранспортных предприятиях по корректировке эксплуатационных параметров автомобильных шин, позволяющие повысить скорость автомобиля, ресурс шин, уменьшить расход бензина и затраты на перевозки.
Отличие научных результатов от других работ по данному направлению заключается в разработке новых подходов, методов и оборудования для определения значений скорости автомобилей, тангенциальной и радиальной жесткостей автомобильных шин и рекомендовано использовать в качестве диагностических параметров их эксплуатационных свойств.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, БГИТА, 2006 г.); «III международный студенческий форум» (Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы, и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007); V-й международной научно-практической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, ПГУАС, 2008 г.); международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2009).
Реализация результатов работы. Теоретические, научно-методические, прикладные и экспериментальные исследования использовались на ООО «Белкомтранс» при диагностировании колес автомобилей для уменьшения себестоимости перевозок и в учебном процессе Белгородского ГТУ им. В. Г. Шухова.
Личный вклад автора заключается в формировании идеи и цели диссертационной работы, в постановке задач и их решения, в разработке научно-методических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов на всех этапах выполнения диссертации – от научного поиска до реализации их в практической деятельности.
Публикации. Основные теоретические положения и научно-практические результаты опубликованы в 9 научных статьях, в том числе
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, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит 147 стр. текста, 17 табл., 71 рис. Библиографический список включает 121 наименование.
Анализ динамики и кинематики колеса с пневматической шиной
Энергия вращения преобразуется в поступательное движение колеса, в качестве которого выступает система колес с эластичными пневматическими шинами.
Пневматическая шина представляет собой оболочку, наполненную сжатым воздухом или газом. При качении колеса по дороге происходит деформация этой оболочки и проскальзывание элементов протектора относительно поверхности дороги [12,13].
Размер автомобильного колеса в свободном, ненагруженном состоянии характеризуется свободным радиусом гс. Свободный радиус колеса — половина наружного диаметра DH;
Под наружным диаметром колеса понимается диаметр наибольшего окружного сечения беговой дорожки колеса при отсутствии контакта с дорогой. Наружный диаметр колеса зависит от давления воздуха в шине и, как правило, возрастает с его увеличением, определяется непосредственно замером. Значение наружного диаметра колеса при номинальном давлении воздуха в шине указывается в каталогах [14, 15].
При действии на колесо автомобиля вертикальной нагрузки происходит деформация части шины, соприкасающейся с опорной поверхностью. При этом расстояние от оси колеса до опорной поверхности становится меньше свободного радиуса. Это расстояние, замеренное у неподвижного колеса, называется статическим радиусом гст. Статический радиус при номинальных нагрузках и давлении воздуха в шинах также указывается в их характеристиках [16]. Обычно шины конструируют таким образом, чтобы при номинальных нагрузке и давлении прогиб шины составлял 13... 20 % от высоты профиля. Статический радиус при известных конструктивных параметрах шин можно находить из соотношения [15]: где d— посадочный диаметр обода шины; /L - коэффициент вертикальной деформации, зависящий от типа шин: для тороидных шин Xz =0,85...0,87; для шин с регулируемым давлением и арочных Xz =0,8...0,85; Н— высота профиля. При качении нагруженного колеса в силу ряда причин (динамическое действие нагрузки, передаваемый колесом автомобиля крутящий момент на колесе, скорость вращения и др.) расстояние между осью колеса и опорной поверхностью меняется. Это расстояние называют динамическим радиусом гд или радиусом качения, при этом происходит упругое проскальзывание шины, так как при движении пневматическая шина сжимается под действием нагрузки [17].
Моделирование скорости колеса в активном режиме
Рассматривая трение качения колеса с пневматической шиной, имеющего статический радиус г, по недеформируемому плоскому основанию в активном режиме под действием крутящего момента М (рис.2.3), можно заметить, что колесо вращается с угловой скоростью со, при этом линейная скорость перемещения оси составляет vp [73-76]. Скорость колеса vp отличается от величины cor, благодаря действию целого ряда факторов. Во-первых, определенная потеря скорости колеса по отношению к теоретической скорости происходит вследствие деформации шины и уменьшения радиуса качения, что оценивается уравнением [77]: Осадка шины зависит от ее конструктивных особенностей, давления воздуха или газа, нормальной нагрузки на колесо Fz и может быть выражена через радиальную жесткость автомобильной шины kR: Во-вторых, потеря происходит за счет того, что контактная площадка длиной (рис. 2.3) выключена из режима свободного перекатывания колеса. Обозначая эту потерю через Av2, и после математических преобразований получим: (2.18) В-третьих, потеря скорости колеса обеспечивается тем, что рабочий периметр шины уменьшается за счет сжатия набегающей части протектора [78].
Полагая, что сжатие действует на длине —, относительное укорочение этого отрезка Существуют и другие факторы, способствующие потере скорости автомобиля, например, осадка дорожного полотна под действием вертикальной нагрузки колеса, эластичное деформирование слоев протектора в зоне контакта при проскальзывании[103]. В данном случае расчет ограничен тремя вышеперечисленными факторами. Полагая, что скорость движения колеса: В этом случае с учетом выражений (2.16), (2.18) и (2.23), имеем: Эквивалентный радиус колеса в значительной мере зависит от эластичности колеса. Для этого в теории трения качения колеса необходимо определить тангенциальную жесткость шины kt [81-84]. Само значение тангенциальной жесткости шин kt определяется по соотношению: где Мкр - крутящий момент на колесе, Нм, в- угловое перемещение колеса, рад. Также необходимо учесть увеличение диаметра за счет центробежной силы, для чего выделяется элемент кольца длиной ds. Этот элемент движется по окружности с угловой скоростью со — const. Тангенциальное ускорение Wt=0, радиальное (центростремительное) ускорение 2 и направлено к центру кольца (рис.2.4) [85]. Сила инерции направлена от центра вращения. На элементе ds она равна: где q — интенсивность сил инерции на единицу длины центральной окружности.
Анализ известных методик определения эксплуатационных характеристик шины
При статических стендовых испытаниях шин определяют характеристику радиальной упругости как непрерывную зависимость между радиальной нагрузкой, действующей на шину, и ее радиальной деформацией, измеренной по перемещению центра колеса [118]. Регламентирующая эти испытания отраслевая нормаль ОН 025 305-67 предусматривает построение характеристик упругости шины по точкам, которые наносятся на график в координатах: деформация - сила через интервалы, равные 10-20% статической нагрузки, приходящейся на шину полностью нагруженного автомобиля. При этом предел нагружения устанавливается от нуля до максимального значения нагрузки, предусматриваемого при тарировке подвески данного автомобиля [119,120]. При наличии в подвеске буферов, работающих не только как ограничители хода, но и как дополнительные упругие элементы, предел нагружения увеличивается на величину, обеспечивающую сжатие буферов не менее чем на 1/3. Как правило, достаточно полная характеристика радиальной упругости шины получается при нагру-жении шины в пределах до удвоенной статической нагрузки на колесе полностью нагруженного автомобиля. Нагрузку и деформацию измеряют при увеличении и уменьшении радиальной силы. Характеристику тангенциальной упругости шины определяют как непрерывную зависимость между крутящим моментом, действующим на шину, и ее тангенциальной деформацией, измеренной по углу поворота центра колеса без проскальзывания шины относительно опорной поверхности [120]. Характеристику боковой упругости шины определяют как непрерывную зависимость между боковой нагрузкой, действующей на шину, и ее боковой деформацией, измеренной по перемещению центра колес. Стенд предназначен для измерения статических упругих характеристик шин легковых автомобилей, а также для определения пятна контакта шины с опорной поверхностью и статического радиуса колеса. Предельный размер испытуемых шин Диапазон измерения силы, Н Радиальной В основе работы стенда лежит метод деформации шины под действием известной (заданной) статической нагрузки (силы или момента).
Стенд (рис.3.1 и 3.2) содержит раму 1, вал 2, установленный в подшипниковых опорах 3. Вал 2 жестко связан при помощи ступицы 4 с испытуемым колесом 5. В центральной стойке 6 рамы 1 размещено устройство для создания радиальной нагрузки на шину, представляющее собой механический домкрат 7. В левой подшипниковой опоре 3 установлено устройство для создания боковой нагрузки на шину, состоящее из пары винт-гайка и приводящееся в действие рукояткой 8. Устройство для создания моментов качения состоит из рычага 9, жестко связанного со ступицей 4 и длинноходового винтового механизма 10. На штоке 11 устройства для создания радиальной нагрузки жестко установлен силоизмерительный узел 12, состоящий из двух параллельных силовоспринимающих плит и установленных между ними чувствительных элементов, на которые наклеены тензорезисторы. Шкала мерительной линейки 13 для измерения радиальной деформации шины шар-нирно соединена с силоизмерительным узлом 12, а ее движок с помощью вилки зафиксирован относительно вала 2. Движок линейки 14 зафиксирован относительно ребра рычага 9, а шкала шарнирно связана с правой подшипниковой опорой 3. установлена шкала 15 для замера углов накручивания шины. На правой стойке рамы 1 размещены регистрирующие приборы (миллиамперметр) 16, 17,18. В состав стенда также входит тензометри-ческий усилитель 8АНЧ-7М. Полная нагрузка автомобиля, приходящаяся на одно колесо, выражается через тарировочный коэффициент Кт в миллиамперах. Движок мерительной линейки 13 (рис. 3.1) фиксируется винтами относительно вала 2. С помощью нагружающего устройства 7 (рис. 3.1) к испытуемой шине 5 с интервалами 10-20% от полной нагрузки прикладывается радиальная нагрузка. Величина нагрузки контролируется по показаниям прибора 16. Значения деформации, соответствующие каждому значению нагрузки, снимаются по шкале микрометрической линейки 13. После достижения полной нагрузки, нагрузку снижают с тем же интервалом до нуля. После чего силоизмерительный узел 12 выводит из контакта с шиной, балансируют канал и еще минимум дважды повторяют эксперимент. Значения радиальной нагрузки, в единицах силы тока переводятся с помощью та-рировочного коэффициента в размерность механической силы (Н) и строится график, где по оси абсцисс откладывается деформация (в метрах), по оси ординат - радиальная сила, в ньютонах.
Анализ влияния параметров дороги и шины на максимальный крутящий момент
Для определения влияния ширины протектора при различных значениях давления в шине на крутящий момент, построен график, представленный нарис. 2.18.
Согласно формуле (2.81) с целью определения влияния давления в шине Р и ширины протектора шины В на максимальный крутящий момент, приняты толщина протектора 8, коэффициент сцепления ср, модуль упругости Е, тангенциальная жесткость шины kt, радиус колеса г известными величинами. Исходные данные: толщина протектора 5=0,02 м., коэффициент сцепления 9=0,8, модуль упругости =10 МПа, тангенциальная жесткость шины к =2,6 кНм/рад, радиус колеса г =0,342 м., а ширина протектора В изменяется от 0,1 до 0,3 м. и давление воздуха в шине от 0 до 0,3 МПа. с интервалом 0,05 МПа.
График начинает быстро расти со значения ширины протектора В = О,1 м. при этом максимальный крутящий момент соответствует максимальному значению ширины протектора и давлению в шине. Очевидно, что даже при малых значениях давления в шине, ширина протектора оказывает значительное воздействие на максимальный крутящий момент M№ac .
Понятно, что максимальный крутящий момент М " растет не только благодаря давлению р и ширине протектора В. С увеличением коэффициента сцепления увеличивается максимальный крутящий момент М "" при изменении давления в шине (рис.4.9). ЛГ%,Нм
Как и ожидалось, график устремлен вверх. При минимальном коэффициенте сцепления наблюдается наименьший крутящий момент.
При малых значениях давления р\ крутящий момент на колесе изменяется значительно. Для полного представления о влиянии модуля упругости Е, необходимо построить графическую зависимость (рис. 4.10) максимального крутящего момента от модуля упругости Е,МПа
Из представленного выше графика видно, что влияние модуля упругости на крутящий момент более значительное, чем коэффициент сцепления. Особенно сильный рост крутящего момента от модуля упругости наблюдается при росте давления в шине от 0,1 до 0,3 МПа, это видно при сравнении прямых р\ир2. Очень большой угол прямой р5 говорит о резком ВЛИЯНИИ МО дуля упругости на максимальный крутящий момент при увеличении давления в шине до 0,3 МПа.
График на рисунке 4.10 построен при заданных: коэффициенте сцепления ср, ширине протектора шины В, толщине протектора б, тангенциальной жесткости шины кь радиусе колеса г. При этом, чтобы узнать влияние увеличения радиуса колеса на максимальный крутящий момент, необходимо проанализировать график, представленный на рисунке 4.11
