Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структура проблемы, цель и задачи исследований 6
1.1. Основные свойства резин, современные взгляды на механизм старения полимерных материалов 6
1.2. Колесный движитель в формировании потребительских свойств автомобиля 13
1.3 Состояние шинной промышленности 19
1.4 Анализ принятых в мировой практике направлений развития резиновой и шинной отраслей для автомобильного транспорта 28
1.5 Принципы совершенствования пневматических шин регулируемого давления и РТИ для AT 30
1.6. Перспективность новых разработок в области шин и РТИ 36
1.7. Выводы, цель и задачи исследования 42
Глава 2. Ключевые показатели ТТХ шин, методы их оценки, расчета и прогнозирования 45
2.1. Сопротивление качению колеса 45
2.2 Тепловая нагруженность шин 53
2.3. Жесткость шин 58
2.4. Износостойкость шин 63
2.5. Срок службы шин 67
2.6. Проходимость автомобиля. Методы оценки показателей опорной проходимости автомобилей 70
2.7. Выводы по главе 2 79
Глава 3. Математическое моделирование качения колеса и движения автомобиля по деформируемому грунту 81
3.1. Основы построения и характеристика принятой для расчетов математической модели качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту 81
3.2. Математическая модель прямолинейного движения автомобиля по деформируемому грунту 97
3.3. Выводы по главе 3 104
Глава 4. Оценка шин по жесткостным и конструктивным параметрам и их влияние на показатели опорной проходимости полноприводных автомобилей 107
4.1. Предварительная оценка шин по показателю приведенной удельной нагруженности шин по объему 107
4.2. Расчетная оценка влияния жесткостных и других конструктивных параметров шин на показатели опорной проходимости автомобилей 114
4.2.1 Влияние жесткостных параметров (давления воздуха) шин 124
4.2.2 Влияние конструктивных параметров шин 129
4.3. Экспериментальная оценка выбора шин по ключевым показателям 134
4.4. Выводы по главе 4 142
Общие выводы 146
Список литературы 149
- Колесный движитель в формировании потребительских свойств автомобиля
- Тепловая нагруженность шин
- Математическая модель прямолинейного движения автомобиля по деформируемому грунту
- Расчетная оценка влияния жесткостных и других конструктивных параметров шин на показатели опорной проходимости автомобилей
Введение к работе
Автомобильная промышленность является ведущей отраслью машиностроения, состояние и развитие которой оказывает значительное влияние на решение экономических, социальных, оборонных и научно-технических проблем страны. Сельскохозяйственные автомобили, это автомобили, которые имеют достаточно высокий уровень приспособленности к экстремальным условиям эксплуатации. Но одновременно на указанных и других автомобилях в той или иной степени оставляют желать лучшего важные и общие для армейских и коммерческих (народнохозяйственных) автомобилей, показатели надежности, сохраняемости, долговечности, безопасности движения, топливной экономичности, комфортабельности и тому подобное. А при сегодняшней тенденции увеличения грузоподъемности автомобилей очевидны проблемы и с уровнем показателей опорной проходимости.
В новой финансово-экономической ситуации страны малые объемы выпуска полноприводных автомобилей как для армии, так и для народного хозяйства требуют больших затрат промышленности на содержание специального технологического оборудования, повышают себестоимость продукции в их производстве, которые разрабатывались по специальным требованиям, планировались к производству до недавнего времени директивными методами.
Данное обстоятельство заставляет либо снимать такие автомобили с производства, либо искать пути решения проблемы за счет доработки конструкции автомобилей и повышения их сроков службы, привлечения в круг их потребителей вместе с предприятиями нефтяной, газовой, горнодобывающей, сельскохозяйственной, лесной, строительной отраслей, которые испытывают дефицит в полноприводных автомобилях с высокими удельными показателями. Наиболее близким по деятельности, направленной на разработку, создание и насыщение потребительского рынка России и
других стран СНГ качественной автомобильной техникой, наряду с ведущим разработчиком военной автомобильной техники в лице НАМИ, является межгосударственный ОАО «Автосельхозмаш - Холдинг».
Акционерами ОАО «Автосельхозмаш - Холдинг» являются большинство предприятий автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения России и других стран СНГ и Балтии, в том числе ОАО «ГАЗ», ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «Объединенный завод УРАЛ», ОАО «КАМАЗ», АМО «ЗИЛ», АО «Волгоградский тракторный завод», ОАО «ХТЗ», РУП «МАЗ» и другие.
Кроме того, особенно близки и условия использования автотранспорта в армии и сельском хозяйстве, где в большинстве случаев техника содержится на открытых стоянках машин (около 90%), используется сезонно и значительный период времени находится в режиме длительного хранения, эксплуатируется, в основном, по плохим разбитым грунтовым дорогам и бездорожью. В настоящее время продолжается дальнейшая интенсификация старения автомобильного и машинно-тракторного парка страны, как в армии, так и в сельском хозяйстве, где доля старых машин (со сроками службы 15, 20 и более лет) стремительно увеличивается. Кроме того, низкие темпы обновления автомобильного парка диктуют необходимость ужесточения требований к надежности автомобильной техники (AT).
Подлежащая исследованию проблема заключается в недостаточном уровне показателей многих полноприводных машин, используемых в сельском хозяйстве. Одним из направлений решения данной проблемы является повышение работоспособности и надежности эксплуатации автомобильного транспорта за счет обеспечения сохраняемости и долговечности резинотехнических изделий (РТИ), уровня сохраняемости машин, то есть их способности сохранить в заданных пределах значение параметров, характеризующих выполнение требуемых функций в течение и после хранения (ГОСТ 27.002-89).
Колесный движитель в формировании потребительских свойств автомобиля
В общей цепи агрегатов и узлов автомобиля, обеспечивающих реализацию его потребительских свойств, ведущие колеса в сборе с шинами играют важнейшую роль. Они, как известно, выполняют опорные функции и преобразуют вращательное движение привода в направленное поступательное движение автомобиля. В контакте шины с опорной поверхностью завершаются все связанные с этим движением процессы и поэтому основные параметры технической характеристики шин оказывают решающее влияние, практически, на все эксплуатационные свойства AT.
Одно из основных свойств, важное для полноприводных автомобилей -подвижность, зависит, прежде всего, от правильности выбора шин для многообразных условий эксплуатации, соответствия их характеристик этим условиям. Подвижность AT определяется различными характеристиками, из которых с параметрами шин связаны, в первую очередь, опорная и профильная проходимость, маневренность, устойчивость и управляемость, а также тягово-скоростные свойства - мощность двигателя, максимальная скорость, средняя скорость движения по дорогам различного состояния. Главная составляющая, ограничивающая уровень подвижности автомобилей — их опорная проходимость, в первую очередь, определяется соответствием нагрузочных, размерных, жесткостных параметров шин, рисунка и конструкции их протектора физико-механическим характеристикам опорной поверхности - деформируемых грунтов и снежной целины.
В целом, параметры опорной проходимости AT определяются: - эластичностью шин - изменением радиального прогиба и площади пятна контакта шин с опорной поверхностью при снижении давления воздуха в шине; - рисунком протектора шин, который определяет сцепление шин с опорной поверхностью, а при движении по липким грунтам (глина, суглинок, чернозем) - возможность самоочищения протектора; - величиной приведенной удельной нагруженности шин, которая, по результатам исследований [55...59] должна быть не более 8 тс/м для радиальных и 7 тс/м — диагональных шин; - величиной дорожного просвета и др.
Величина дорожного просвета полноприводных автомобилей является одним из важнейших параметров, определяющих его проходимость по деформируемым грунтам. Величину дорожного просвета формирует с одной стороны - конструкция моста (конструкция главной передачи, наличие колесного редуктора), а с другой стороны — диаметр шин. Увеличение диаметра шин положительно влияет на параметры опорной и профильной проходимости, однако увеличивает нагрузки в трансмиссии и ухудшает параметры устойчивости и управляемости AT.
Ухудшение параметров устойчивости (уменьшения угла поперечной статической устойчивости и снижение предельной скорости выполнения маневра «поворот») при увеличении диаметра происходит за счет повышения центра масс AT, а ухудшение параметров управляемости (увеличение радиуса поворота и снижение предельной скорости маневра «переставка») - еще и за счет уменьшения угла поворота управляемых колес. Параметры профильной проходимости (преодоление препятствий) AT определяются теми же характеристиками AT, что и опорной проходимости. Большое значение имеют сцепные качества шин с опорной поверхностью.
В целом при выборе шин для полноприводных автомобилей возникает необходимость выбора размера шин с целью оптимизации параметров проходимости, устойчивости и управляемости.
Маневренность AT определяется минимальным радиусом окружности, радиусом поворота, по которой он может двигаться. В значительной мере радиус поворота ограничен допустимым углом поворота управляемых колес, который ограничивается, главным образом, наружным диаметром шин, то есть опять возникает вопрос об оптимальном размере шин [58]. Маневренность на опорных поверхностях с низкой несущей способностью определяется теми же параметрами шин, что и опорная проходимость.
Тягово-скоростные свойства AT также формируются под прямым влиянием шин. Величина максимальной скорости AT и средней скорости по дорогам с твердым покрытием в значительной мере ограничивается тепловой нагруженностью шин. Общеизвестно, что сопротивление качению является одним из решающих факторов определения максимальной скорости, а также разогрева шин при качении. Значения этого сопротивления определяются главным образом конструкцией шины и их удельной нагруженностью. Высокая температура разогрева шин, оказывает отрицательное воздействие и на ходимость шин и на безопасность движения, так как с увеличением температуры ускоряется процесс старения резины и при приближении ее к критическим значениям (около 120 С) возможно тепловое разрушение шины, в том числе и разрыв каркаса. Уровень разогрева в различных сечениях шины в одинаковых внешних условиях определяется характером и скоростью деформации ее элементов, то есть скоростью движения, конструкцией, удельной нагруженностью, а также рецептурой материала шины.
Тепловая нагруженность шин
Мощность, теряемая при качении, в значительной степени идет на нагрев шин и износ протектора, то есть снижает их надежность и долговечность.
Исследования показывают, что 60% потерь на качение связано с гистерезисом резины. И чем выше гистерезис в материалах шины, тем больше создается тепла. Температура в той или иной точке шины определяется количеством тепла, создаваемого в данной точке в каждую единицу времени, и возможностью его отвода. На эту температуру оказывает влияние теплообразование в смежных точках. Количество тепла, создаваемого в единицу времени в той или иной точке шины, определяется величиной и видом трения, величиной и скоростью деформации, температурой окружающей среды. Накопляемое в шине тепло идет на нагрев шины и рассеивается в воздух и дорогу. В нормальных условиях работы колеса основная часть тепла отводится от шины конвекцией в воздух и лишь около 15% - в сухое дорожное покрытие. Соотношение между теплом, отводимым в воздух и дорогу, зависит от многих факторов, и в первую очередь от разности температур между поверхностью шины и дороги и от количества тепла, выделяемого в результате трения в контакте. Ввиду большой разности между коэффициентом теплопроводности от шины к дороге и передачей тепла конвекцией в воздух, в сухую дорогу отводится ничтожно малое количество тепла и его обычно не принимают в расчетах при рассмотрении теплового баланса шины.
Температуру шины оценивают либо средней температурой воздуха в камере, либо действительной температурой в заданной точке профиля шины.
Для конструкторов шин и автомобилей важно знать максимальную рабочую температуру шины в заданных условиях движения автомобиля,, так как от нее зависит срок службы шины, предел допускаемой скорости, а для армейских автомобилей - еще и возможность их обнаружения по ИК-излучению.
Из результатов исследования тепловой нагруженности шин в работах Кнороза В.И., Корнфельда И.О., Беляева В.А., Присс Л.С. [87, 114] и др., известно, что температура шины Тш в состоянии теплового равновесия слагается из температуры окружающего воздуха Тв и приращения температуры ATmax, величина которого прямо пропорциональна нагрузке на шину GK, скорости движения V и коэффициенту сопротивления качению и, обратно пропорциональна коэффициенту теплопередачи к, линейным размерам шины (среднему диаметру шины Dcp и среднему диаметру тора -ширине профиля В): ТШ=ТВ+ иу (2Л5) 1 в kDcpB
Эта формула позволяет проанализировать влияние эксплуатационных факторов (нагрузки, давления, скорости движения) на температуру нагрева шины. Однако, количественные значения температуры нагрева шин, полученные теоретически, значительно отличаются от величин, полученных в ходе непосредственных измерений. Они в недостаточной степени могут обеспечить требуемую достоверность при определении нагрева шин одного типоразмера раз-личных сроков службы и не позволяют судить о совершенстве конструкции, технологии изготовления и изменениях, происшедших в шинах в процессе длительного хранения (эксплуатации) в различных климатических условиях. Кроме того, они не позволяют выявить места концентрации высоких температур в шине с целью принятия конструктивных и технологических мер по их совершенствованию.
Как отмечалось выше, в результате неравномерного распределения материалов и деформации по профилю шины температура шины в различных точках ее сечения неодинакова. Чтобы установить влияние скорости движения на распределение температуры по поперечному сечению шины и исключить при этом влияние перераспределения тепла, Новопольский В.И. [115] провел опыты, результаты которых показали, что при высоких скоростях движения колеса шина имеет максимальную температуру в сечении, расположенном посередине беговой дорожки протектора, температура же в области боковин шины уменьшается.
Опыты показывают, что температура оказывает решающее влияние на работу шины. Однако оценку качества работы шины методом измерения ее температуры проводить сложно. Значительно более простым и более наглядным методом оценки качества работы шины является измерение потребляемой ею мощности при качении колеса. Это в сочетании с хорошо продуманным способом измерения температуры позволяет получить правильное представление о работе шины.
Если заставить шину при точно фиксированных условиях катиться до тех пор, пока в ней не установится постоянная температура, то в этом случае устанавливается равновесие между притоком тепла из-за потерь при качении и отводом его благодаря конвекции, теплопроводности и теплоизлучению.
Математическая модель прямолинейного движения автомобиля по деформируемому грунту
Качение колесного движителя автомобиля отличается от качения одиночного колеса по деформируемому грунту прежде всего условиями качения следующим по одной колее друг за другом колес разных осей, а также кинематическими и силовыми связями, налагаемыми конструкцией автомобиля на эти колеса. На основе разработанной автором модели качения одиночного колеса (рисунки 3.1 и 3.2) была построена модель прямолинейного движения автомобиля по деформируемому грунту. В ней, во избежание громоздкости при равенстве нагрузок под колесами левого и правого бортов автомобилей, вместо пространственной применена плоская расчетная схема, представленная на рисунке 3.3.
В соответствии с этой схемой при прямолинейном движении на автомобиль действуют: - нормальные Rzi (со смещением по оси X) и продольные Rxi (со смещением по оси Z ) реакции в контакте колес с грунтом; - силы лобового сопротивления (Pw) и тяги на крюке (Рд) на высоте центра парусности (ЦП) и тягово-сцепного устройства (Тсу), проходящие через центр тяжести, нормальная (Ga since/7) и продольные (GaCOSOLn) составляющие силы веса автомобиля и сопротивления разгону (GaCLx /g), продольные силы бульдозерного сопротивления грунта (РЛ,І) на уровне осей колес.
Все эти силы и возникающие от их действия моменты учитываются в уравнениях равновесия по Даламберу [58]:
В приведенной системе уравнений (3.41) Rzl, Rxi и Mxi выражаются зависимостями, полученными при расчете модели качения одиночного колеса, бульдозерное сопротивление грунта (Рлп) определяется (рисунок 3.4) согласно теории пассивного давления почвы на вертикальную стенку и зависимостью по Вонгу Дж. [37] для действующей на единицу ширины балки моста силы с поправками на форму моста (Р мі):
Вследствие некоторых различий при движении одиночного колеса и движителя, где каждое последующее колесо автомобиля (при совпадении колеи) движется по уплотненному предыдущими колесами грунту, при расчетах характеристик проходимости в большинстве исследований использовался трудоемкий и недостаточно точный метод получения показателей деформирования грунта каждым последующим колесом.
Анализ общеизвестных диаграмм многократной нагрузки-разгрузки штампа на деформируемом грунте (рисунок 3.5) позволяет в первом приближении считать, что приращение глубины погружения в грунт совершается только в случаях, когда нагрузка на штамп в каждом последующем цикле выше предыдущей (т.е. hi hi_i, если qi дп). Давление при этом от q,.] до qt с приращением глубины погружения (Д/z,. = h( — /тм ) изменяется по тому же закону, что и при однократном нагружении до q{:
При этом необходимо учитывать разность пробуксовки этих колес -погружение предыдущего колеса (давление на дне его колеи) должно быть с поправкой, соответствующей погружению под воздействием только нормальной нагрузки.
В соответствии с выбранным законом деформирования грунта и известной схемой многократной нагрузки-разгрузки штампа (рисунок 3.5), с учетом буксования колес, была получена зависимость, позволяющая определять показатели качения любого колеса по первоначально заданным параметрам грунта (рг и и) и связывающая текущее давление в контакте с грунтом и максимальное давление, приложенное к грунту предыдущим колесом: Ф q,{h) = 10 Pl к, г у"1 + H,-Hl_l+Zuu-h (3.45)
Основные расчетные зависимости взаимодействия многоколесного движителя с деформируемым грунтом представлены в 4 главе диссертации.
В целом, для описания движения многоосного автомобиля по деформируемому грунту получена система нелинейных уравнений с неизвестными параметрами по вертикальной реакции, прогибу шины, глубине колеи и пробуксовке каждого колеса одного борта автомобиля, учитывающих перераспределение вертикальных реакций в движении, выбранную схему трансмиссии, сопротивление воздуха, нагрузку на крюке автомобиля и другие факторы.
В общем случае, например, для двухосного полноприводного автомобиля, данная система нелинейных уравнений при дифференциальной межосевой связи выглядит следующим образом: j qKlBKdx + \\qmdF[n = Rzl \\qnidr n2 — bw2ZM2 (3.46) 2(Rxl + Rx2)=Pa+Pw z . Fn\ j qK2BKdx+ \\qn2dFn2=Rzl z . Fni till Л = Мк2 R:l+Rzl =GaJ2, Gaa + 2(MKl+Mk2) + PaZ Tcy + PWK - 2Rs2L где R,t(Rxl)- вертикальная (горизонтальная) составляющие реакции грунта, приложенные к і-тому колесу, Н; МКі - реактивный момент на і-том колесе, равный по величине подводимому моменту, Н"м; Ga - вес автомобиля, Н; L,a,z fzw- соответственно база автомобиля, расстояние от первой оси автомобиля до его центра масс, высота тягово-сцепного устройства и центра парусности над центром первого колеса, м; Pa, Pw - соответственно силы тяги на крюке и лобового сопротивления воздуха автомобиля, Н; kd - передаточное отношение межосевого дифференциала.
Аналогичная система составляется и для автомобилей с другим количеством осей, с любым видом подвески и типом трансмиссии. Решение --этой системы позволяет рассчитать все внешние силы и моменты, действующие на автомобиль при равномерном прямолинейном движении и определить практически все показатели проходимости. Кроме того, полученная математическая модель универсальна и позволяет определять показатели проходимости не только одиночного автомобиля, но и автопоезда.
Исходными данными для расчетов являются около 30 параметров грунта, шин и автомобиля в целом, которые можно найти в многочисленных справочниках, имеющихся публикациях и трудах известных ученых, материалах проведенных экспериментальных исследований.
Расчетная оценка влияния жесткостных и других конструктивных параметров шин на показатели опорной проходимости автомобилей
С целью обоснования выбора шин для разрабатываемого Типажа шин AT рассматривалось влияние конструктивных параметров шин на показатели опорной проходимости автомобилей. Эти параметры определялись по результатам теоретических и экспериментальных исследований опорной проходимости полноприводных автомобилей грузоподъемностью от 0,8 до 18 т [55...57].
Теоретические исследования заключались в расчетном определении показателей опорной проходимости различных автомобилей с различными типоразмерами шин и изменением давления воздуха в них с помощью разработанной автором математической модели. В процессе этих исследований установлено, что конструктивное исполнение, нагрузочные, размерные и жесткостные параметры шин оказывают наиболее существенное влияние на показатели проходимости. А эти характеристики определяются нагрузками на колесо, типоразмерами шин, их прогибом (давлением воздуха в них), радиальной жесткостью и другими параметрами.
Математическая модель представляет системы нелинейных уравнений: - качения эластичного колеса по деформируемому грунту (для колес каждой из т — осей, то есть 2т уравнений); - движения автомобиля (3 уравнения); - силового потока (Зт - 3 уравнения); - деформаций подвески (т-1 уравнение); - для определения вертикальных реакций на колесах (т уравнений).
В наиболее общем виде модель состоит из 7т-\ уравнения с 7т-1 неизвестными (для каждого колеса - прогиб, глубина колеи, вертикальная реакция, буксование, условная длина подвески — то есть 5т неизвестных, для каждой узловой точки ветвления силового потока - силовой и скоростной факторы входящего потока - то есть 2т-2 неизвестных, а также дифферента корпуса автомобиля). В зависимости от режима движения автомобиля указанная система дополняется другими уравнениями или несколько видоизменяется. ГОСТ 22653 [80], ГОСТ В 26442 [81] и РТМ 37.001.053-2000 [61] устанавливают параметры опорной проходимости автомобиля (таблица 4.4).
Практически все перечисленные в таблице показатели опорной проходимости автомобиля, за исключением движения по снегу (в связи с тем, что снег обладает особыми физико-механическими свойствами и упомянутая выше модель для него должна быть специально доработана) и минимального радиуса поворота (так как модель построена для случая прямолинейного движения) могут быть определены с помощью разработанной модели.
Для расчета остальных показателей проводится моделирование прямолинейного движения автомобиля в четырех этапах движения, при котором общий алгоритм проведения расчетов состоит из: - решения оптимизационной задачи определения максимальной силы тяги на крюке (Ра = Ратах); - определения характеристик движения автомобиля без тяги на крюке \Pa = 0) с «ползучей» скоростью; - определения характеристик движения автомобиля в режиме буксирования (Мк= 0); - определения максимальной скорости движения в заданных условиях (р = О V = V )
На первом этапе тяга на крюке рассматривается как функция буксования первого колеса автомобиля. Для заданного буксования решается соответствующая система уравнений и методом парабол определяется максимально возможное значение силы тяги \Ратах ) и ее удельное значение по формуле (4.1). Кроме того, запоминаются характеристики движения, при которых тяга на крюке автомобиля наиболее близка к нулю.
На втором этапе эти характеристики принимаются в качестве начальных приближений и решается задача движения автомобиля без тяги на крюке (определяются глубина образуемой колеи На, максимальное давление на грунт qmax и рассчитывается удельная работа сопротивления качению по формуле (3.4)).
На третьем этапе характеристики движения, полученные на втором этапе, используются в качестве начальных приближений для решения задачи движения автомобиля в режиме буксирования (коэффициент сопротивления буксированию рассчитывается после определения силы буксирования Рба по (4.5)).
Эти уравнения дополняются уравнением, характеризующим конструктивные свойства узловой точки (например, в случае механической трансмиссии для дифференциала с передаточным отношением кд и для заблокированного дифференциала соответственно): Мх —кдМ2мщ =оо2 (4.18) 4. Уравнения связи условных длин подвески (для каждой оси): s,=Sl - Еы sinY-(ZBI -ZMl) + (#, -Я,), (4.19) где sl - условная статическая длина подвески, м. 5. Уравнения для определения вертикальных реакций (для каждой оси): = + ( - ) (4-20) где Cm - жесткость подвески, кНм" . 6. Дополнительные уравнения, учитывающие режим движения: а) режим движения с максимальной тягой - характеристики движения определяются после решения оптимизационной задачи, в которой второе уравнение системы (4.13) заменено на целевую функцию, а остальные уравнения рассматриваются в качестве ограничений (равенств задачи на нахождение максимума): 120 m i ema, = 1(2 -PJ-/ w- max ; (4.21) б) режим буксирования (двигатель считается отключенным от трансмиссии, а силовой фактор потока, входящего в первую узловую точку, например, раздаточную коробку - нулевой) - уравнения (4.17) принимают вид: О = MjQ, + М2со2 и 0 = Мх + М2 (4.22) в) режим движения с максимальной скоростью - добавляется условие энергетического баланса (мощность двигателя 1ЧД не должна быть меньше мощности потерь) с учетом того, что с увеличением скорости движения растут и удельные значения энергетических затрат на сопротивление качению:
