Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Особенности процесса качения шиш по деформируемому грунту,Оценка, проходимости /литературный обзор/.
1.1 Характеристики основных видов грунта. 7
1.2 Шины повышенной и высокой проходимости. 18
1.3 Особенности процесса взаимодействия пневматической шины с грунтом.
1.4 Оценка проходимоети,как эксплуатационного свойства шины 27
1.5 Оценка Проходимости автомобиля по параметрам контакта шины с грунтом. 31
Глава 2. Методы исследования взаимодействия шины с грунтом .
2.1 Основные методы аналитических исследований взаимодействия шины с грунтом. 34
2.2 Выбор метода для исследования влияния конструктивных и эксплуатационных параметров пневматической шины на проходимость . 45
Глава 3. Построение расчетной схемы для оценки проходимости шины на пластичном грунте .
3.1 Кольцо на упругом основании как модель шины. Определение характеристик кольца в зависимости от конкретной конструкции шины. 48
3.2 Грунт пластичный.Уравнения деформации грунта. 52
3.3 Система уравнений напряженно-деформированного состояния кольца, обжатого на пластичном грунте.Метод решения 57
3.4 Определение коэффициента сцепления. 65
3.5 Расчет коэффициента сопротивления качению. 68
3.6 Реализация разработанного алгоритма. 75
3.7 Сопоставление расчетных данных с экспериментами. 75
Глава 4. Расчетный анализ показателей проходимости шины .
4.1 Влияние механических характеристик грунта. 81
4.2 Влияние радиальной нагрузки и внутреннего давления шины . 88
4.3 Влияние геометрических размеров шины. 96
4.4 Влияние конструкции каркаса на показатели проходимости. 103
4.5 Влияние механических характеристик резины на параметры контакта. 108
Основные выводы. 116
Список литературы. 118
- Оценка проходимоети,как эксплуатационного свойства шины
- Выбор метода для исследования влияния конструктивных и эксплуатационных параметров пневматической шины на проходимость
- Система уравнений напряженно-деформированного состояния кольца, обжатого на пластичном грунте.Метод решения
- Влияние радиальной нагрузки и внутреннего давления шины
Введение к работе
Проходимость автомобиля, т.е. совокупность свойств,определяющих возможность движения по деформируемым дорожным поверхностям и бездорожью, была и остается одним из важнейших его эксплуатационных свойств
Несмотря на непрерывный рост сети дорог с твердыми покрытия' ми, доля времени работы машин транспортного парка на таких дорогах, повидимому^не увеличивается. Не последнюю роль в этом играе непрерывное наращивание количества и создание новых типов машин для строительно-дорожных работ и сельского хозяйства.
Повышение эффективности использования таких машин определяется прежде всего их высокой проходимостью, а она в наибольшей степени зависит от характеристик пневматических шин.
В социалистический республике Вьетнам решение этого вопроса имеет особое значение. Во Вьетнаме ведется освоение новых эконо мических районов, интенсивное внедрение техники в сельском хозяйстве , создание промышленных центров. Но тропический климат с полугодовым сезоном дождей, отсутствие твердых дорог серьезным образом осложняет ход работ.
В настоящее время работы по повышению проходимости автотран спортных средств ведутся по трем основным направлениям:
создание временных съемных средств(цепи и другие приспособления) для повышения проходимости стандартных автомобилей;
усовершенствование конструкции шин повышенной проходимости;
создание движителей специальных конструкций(пневмокатки, пневмогусеницы и т.п.).
Многолетние исследования L-~J ' показали, что мощным средством повышения проходимости автомобиля являются шины
специальной конструкции такие,как шины с регулируемым давлением арочные шины, пневмокатки и другие. Эти щины отличаются увеличенным габаритом, малым внутренним давлением к наличием высокого про тектора с широкими канавками. В настоящее время эти шины нашли широкое применение во Вьетнаме, в Советском Союзе и других странах.
Основным условием, определяющим возможность движения автомобиля по деформируемой опорной поверхности, является ..превышение максимальной силы сцепления, которая может быть развита шинами, над силой сопротивления движению автомобиля. Поскольку автомобили высокой проходимости движутся с небольшими скоростями и силы аэрО' динамического сопротивления малы,аналогичное условие возможности движения может быть принято и для шины. При этом необходимо учитывать, что основные затраты мощности идут на образование колеи, а не на внутренние потери в материале шины,
Обеспечение высокой силы сцепления и низкого сопротивления качению обеспечивается прежде всего созданием специальной констру ции шины, причем не только рисунка протектора, но и всей формы шины.
Современное конструирование основывается на широком применении расчетных методов, реализованных в виде программ для электронных вычислительных машин. Расчет проходимости шин не должен быть исключением,однако до настоящего времени этот вопрос не получил полного решения.
Надо также отметить, что конструирование шин неразрывно связано с разработкой технологии их изготовления,поскольку элементы конструкции, которые обеспечивают необходимые механические свойства шины( в нашем случае проходимость) могут быть выбраны лишь такими, которые может обеспечить существующая или перспективная технология изготовления шин.
Все сказанное послужило причиной постановки данной работы, целью которой является создание метода расчета проходимости шин и расчетное исследование влияния конструкции шины,свойств материалов и режимов нагружения на показатели,определяющие проходимость шины.
Работа состоит из 4-х глав. В 1-ой главе( на основе литературных данных) рассматриваются особенности взаимодействия шины с деформируемой опорной поверхностью,обосновывается необходимость объединения для решения поста&ляюй задачи методов тес рии автомобиля, механики пневматических шин, и механики грунтої Во 2-ой главе описываются методы исследования взаимодействия шины с грунтом и обосноянвается принятая в работе методика.
В 3-ей главе строится расчетная схема и математическая модель взаимодействия шины с пластичным грунтом. Разработанный алгоритм расчета реализован в виде программ для ЭЦВМ.Сопоставление результатов расчета с данными эксперимента,заимствованы-ми из литературы,оказалось вполне удовлетворительным.
В 4-ой главе описан машинный эксперимент,устанавливающий влияние на показатели проходимости свойств грунта,..режима нагр: жения,конструкции шины и механических характеристик материала. Его результаты обобщены в виде серии зависимостей показателей проходимости от величин,назначаемых конструктором шины.
Общие результаты работы прежде всего методики расчета и программы для ЭЦВМ, могут быть рекомендованы для применения прі конструировании шин высокой проходимости.
Оценка проходимоети,как эксплуатационного свойства шины
Особенностью конструкции арочных шин являются отсутствие эластичных боковых стенок, высокие (40-60 см) рисунки протектора, большой относительный радиальный прогиб (25-30$), низков внутреннее давление (0,5-1,4 кг/см2). Арочные шины изготавливаются ббскамерными. Арочные шины обеспечивают резкое повышение проходимости и тягово-сцепных свойств автомобиля в бездорожье. Ухудшение динамических качеств автомобиля и интенсивный износ на дорогах с твердым докрытием препятстсвуют их широкому применению.
Дальнейшим развитием в создании сверхэластичных шин длз эксплуатации в бездорожье является разработка пневмокатов. Они конструктивно отличаются как от обычной, так и от арочной шины. Их характерными особенностями являются очень низкое внутреннее давление (0,07-1,0 кг/см2 ), относительно большая ширина и малый диаметр. Автомобили с колзсами на пневмокатах работают в исключительно трудных местностях (заболоченные, заснеженные). Подробное описание о конструкции и работе шин повышенной и высокой проходимости изложено в работах [12, 13, 14, 15 J .
Главной продукцией сельского хозяйства СРВ является рис. Обработка рисовых полей проводятся в условиях, когда грунты находятся в пластичном и переувлажненном состоянии. Обеспечение проходимости и высоких сцепно-тяговых качеств тракторов является важной задачей. Тра кторные ведущие шины отличаются большим диаметром, широким ободом и низким профилем, что способствует повышению боковой устойчивости шины. Внутреннее давление в шине составляет 0,8 - 1,5 кг/см2. К шинам, эксплуатируемым на связных грунтах7дополнительно предъявляется требованю самоочищаемости. Конструкция рассматриваемых шин является диагональной. В последнее время ведутся работы по поиску оптимальной конструкции тракторных ведущих шин, шин с регулируемым давлением, которые имеют радиальное расположение нитей в каркасе. Благодаря высокой эластичности радиальная шина способствует уменьшению коле ообразования, улучшению тяговосцепных свойств автомобилей в смешанных условиях. Испытания радиальных тракторных, ведущих шин [ 16, 17J показали, что по сравнению с шинами диагональной конструкции шины Р снижают на 10-20$ удельное давление на почву, в. _- среднем на 13$ повышают тягово-сцепные качества трактора, на 8% уменьшают расхгод топлива. При этом средний пробег шин г составляет 5,0-5,5 тысяч часов против 3,7-4,0 ТЬЮІЧ. у ши диагональной конструкции. Исследование процесса качения колеса по грунту велось в начале 20-го века. Сначала исследовали качение жестких колес (деревян-ных колес для телег [ 18 J ) . С появлением и широким применением пневматических шин начали исследование методов усовершенствования их конструкции. Резкий скачок в исследовании проходимости колесных машин по мягким грунтам сделан в 50-е годы работами советских ученых В.Ф. Бабкова, А.К;Бируля, Я.С.Агейкина, Н.А.Улвянова и других. [l9, 20, 21, 22, 23] . Большие работы в этой области проводятся также за рубежом, среди которых особо следует отметить исследования М.Беккера [24J . В результате этих работ получен обширный теоретический и экспериментальный материал по взаимодействию пневматичес-ких колес с деформируемыми грунтовыми поверхностями. В настоящее время исследование движения транспортных средств по грунтовым деформируемым поверхностям относится к области науки, получившей название Террамеханика" [25] . При качении пневматической шины по грунтовой поверхности происходит деформация шины и грунта. Деформация шины на грунте существенно отличается от её деформации на жестком основании и прунт при проезде шины ведет себя не так, как при вдавливании жесткого штампа. Деформация грунта при прохождении автомобиля имеет следующие особенности. Глубина погружения шины в грунт небольшая (не более 60 см), поэтому можно считать грунт однородным. Время контакта ШШІ с грунтом мало, осадка и сдвиг грунта происходит практически без восстановления, В зависимости от состояния грунтов (влажность, степень уплотненности) доминирующим МОЕЄТ быть уплотнение или выдавливание грунта из-под рисунка протектора. Осадка (уплотнение) грунта происходит на небольшой площади, поэтому боковое расширение ограничивается. С учётом приближенного расчета в оценки проходимости автомобиля считаем, что при прохождении автомобилем грунт подвергается уплотнению и сдвигу. Процессы, протекающие в грунте под действием движущейся шины, подчинены общим закономерностям механики грунтов. Характер деформации шины на деформируемом грунте отличается от её деформации на твердом основании прежде всего тем, что площадь контакта на грунте значительно больше (рисунок 1.7). Форма поверхности контакта шины с грунтом впервые была исследована А.Л.Маршаком [2б] . По его данным форма контактной поверхности пневматического колеса, движущегося по грунту, является нессиметричной и состоит из двух частей: - Набегающей близкой по форме к дуге окружности - сбегающей, практически плоской. Дальнейшие исследования [ 20 J показали, что эти выводы справедливы лишь для относительно жестких шин (шины высокого внутреннего давления).
Выбор метода для исследования влияния конструктивных и эксплуатационных параметров пневматической шины на проходимость
Подобный метод использует _ Н.А.Ульянов для расчета оценки проходимости шин для землеройных-транспортных машин f4l] и Я.Е. Агейкин для определения деформации и параметров контакта шины с регулируемым давлением на мягком грунте [7J
Недостатком этого метода является невозможность распространения результатов исследований на другие шины и грунты, отличные от условий, при которых получены выводы. Но он очень удобен в случае, когда исследуют определенный класс шин в характерных для них дорожных условий.
Четвертый метод основан на исследовании общих закономерностей деформации грунтов и шин, на основании которых проводится аналитическое рассмотрение их взаимодействия.
В настоящее время накоплен большой экспериментальный и теоретический материал по исследованию деформации грунтов под действием нормальной и продольной нагрузки [42, 8, 21, 24, 43] . Получены математические уравнения, описывающие математические уравнения, описывающие процесс деформации грунтов под действием этих сил. В результате экспериментальных и теоретических исследований [44, 45, 46, 20, 47 ] установлены общие закономерности поведения шин при качении на деформируемой поверхности. Всё это создает основы для обобщения и построения более универсальной расчетной схемы взаимодействия эластичной шины с деформируемым грунтом. Но в такой постановке контактная задача весьма сложна. Существуют разные подходы к eg решению.
Сущность первого подхода проста. Составляют уравнения равно-весия для элементарного участка контакта. Путем интегрирования и приравнивания полученных реакций к силам, приложенным к колесам, получаются выражения для расчета параметров кантакша шины с грунта [ 10, 48 ). Такой метод расчета громоздок, но позволяет достаточно точно определить не только все параметры взаимодействия шины с грунтом, но и дать предварительную оценку о напряженно-деформированном состоянии шины и её элементов, что очень важно для отимапь-ного выбора материалов.
С появлением широкой возможности применения ЭВМ трудоемкость расчетов облегчается. Большим достоинством метода является возможность приблизить расчетную схему к реальному процессу, происходящему при качении шины по грунту.
По этому методу Я.С.Агейкин вывел [iOJ систему уравнений, решение которой позволяет расчитать параметры контакта шины с яелинейнодеформируемым грунтом. Он исходит из того, что при качении пневматической шины по грунту,деформация грунта, подчиняется общим закономерностям, полученным в механике грунтов (закон пластич ного уплотнения и закон сдвига), а шина ведёт себя также, как при качении на твердом основании. Впервые оказалось возможным рассчитать конфигурацию контактной поверхности.
Сущность второго подхода исходит из того, чтобы получить формулы, пригодных для инденерных расчетов. При составлении уравнений равновесии путем линеаризации или ввода других дополнительных предпосылок упрощают систему уравнений, описывающих процесс взаимодействия шины с грунтом, аналитическое решение которой легко получается L22J . Такой подход снижает точность расчетов и не дает возможное для проведения глубокого анализа.
Заслуживает большое внимание третий подход, изложенный в работе М.Г.Беккера [24] . При применении тех или иных формул обязатель -44 но возникают ошибки. Надо установить доверительные интервалы ре-зультатов. Тогда даже грубые расчеты становятся полезны. Имеется два вада ошибок: одна вызывается разбросом (неточностью) входящих в расчет данных, другая - неточностью допускаемых предпосылок по Оценить ошибку моделирования могшо только в результате экспериментальных проверок: специальные лабораторные или дорожные испытания шин. Эксперименты позволяют проверить принятые в расчетной схеме гипотезы и внести необходимые поправки.
При построении расчетной схемы мы руководствуемся четвертым методом, как наиболее общим и точным. До сих пор в расчетных схемах для исследования взаимодействия шины с грунтом шина описана очень упрощенно, что не позволяет глубоко анализировать поведение шины и влияние её конструкции на параметры контакта между шиной и грунтом. При этом стремление получить аналитические решения контактной задачи привело к тому, что многие авторы принимали грубые предпосылки, особенно относительно поведения шины (не учет деформируемости шины вне зоны контакта, неучет многих особенностей в свойцв конструкции шин, бё материалов). В данной работе предлагается выбрать более сложную модель шины, характеристики которой определяются непосредственно в зависимости от конкретной конструкции шины и свойств её материалов. Решение системы уравнений, описывающих взаимодействия шины с грунтом (контактная задача).будем стараться вести без грубых допущений. До настоящего времени не получена математическая модель, описывающая деформацию любого грунта в любом состоя -46 нии под действием нормальной и продольной силы. Частные решения данной задачи получены в работах [24, 8, 10J В данной работе в качестве расчетного состояния грунта принимается разрыхленное пластичное и мягкопластичное. Такое состояние грунта очень характерно для работы автомобилей повышенной и высокой проходимости [ 49 J . Поведение пластичного и мягкопластичного грунта хорошо изучено и описано математическими моделями.
Система уравнений напряженно-деформированного состояния кольца, обжатого на пластичном грунте.Метод решения
Основным методом анализа влияния различных характеристик шины и грунта, режима движения является машинный эксперимент. Сущность его заключается в следующем: с помощью программы "шина-проходимость" мы будем проводить расчеты показателей проходимости для различных вариантов взаимодействия;шины с грунтом, отличающихся только одним параметром шины или грунта. Объем машинного эксперимента неорганичен, Можно ставить такие "эксперименты", которые физически не осуществлены. Это имеет большое значение. Так как параметры шины или грунта тесно взаимосвязаны, изменение одного параметра неизбіджно вызывает изменен нив других. Например на практике невозможно изменять только коэффициент внутреннего сцепления грунта, сохраняя остальные постоянными. Сведение влияния отдельных параметров шины и грун та на показатели проходимости нужны для того, чтобы оценить эффективность выбора конструкции шины в зависимости от дородных условий.
Вид и состояние грунта в большей степени определяет проходимость автомобиля, чем конструкция шины. Деформируемость дуля деформации, толщины мягкого слоя и других. Эти параметры взаимосвязаны. На практике физически невозможно исследовать влияние только одного параметра грунта на показатель проходи-мости, т.к. изменение одного параметра вызывает изменение других. Но теоретические сведения о влиянии каждой механической характеристики грунта на показатели проходимости будет интересны не только для конструкторов шины, но и для механиков грунта, занимающихся исследованием качения колеса по грунтовой поверхности,
В таблице 4.1 приведены расчетные данные параметров взаимодействия шины 14.00-18 И-ІІЗ с грунтами, различающихся только значением модуля деформации Е. С увеличением Б линейно уменьшается глубина колеи, что в свою очередь приводит к уменьшению площади контакта. Напряжвно-двфоршровгнноя состояние шины мало изменяется в данном случае, т.к. жесткость шины намного больше, чем жесткость грунта. Уменьшение модуля деформации грунта сникает сопротивление качению за счет уменьшения затрат на уплотнение грунта, но с другой стороны вызывает также уменьшение сцепления между шиной и грунтом вследствие сокращения площади контакта. Поэтому в конечном счете значение показателя проходимости П почти не изменяется. Б целом на грунте с большим значением модуля деформации проходимость улуч шается, так как автомобиль преодолеет этот грунтовый участок с меньшей затратой мощности, хотя удельный запас тяги остается неизменным.
Большое влияние на показатели проходимости оказывает тол-шина деформируемого слоя грунта. С его увеличением резко растёт глубина колеи (таблица 4.2). Увеличиваются и коэффициент сопротивления качению и коэффициент сцепления, но интенсивност: роста первого больше, поэтому уменьшается показатель проходимости. В целом с увеличением толщины деформируемого слоя грунта проходимость существенно ухудшается; На практику толщина мягкого слоя грунта зависит от важности и структуры грунта. Чем крупнее размеры частиц грунта, тем лучше его водопроницаемость, тем больше толшина деформируемого слоя при постоянной влажности»
Коэффициент внутреннего сцепления грунта Со характери/ зует междумоленулярное взаимодействие в частицах грунта и определяет его прочность С увеличением Со растет прочность грунта, повышается его сопротивление сдвигу.
В таблице 4.3 приведены результаты расчёта параметров контакта шины 12.00-201? на грунтах, отличающихся только коэффициентом внутреннего сцепления. С ростом О, уменьшается ко-леиообразование, сокращается площадь контакта, но непрерывно растет сила сцепления; В целом увеличение С0 благоприятно влияет на показатели проходимости. Коэффициент С0 зависит от влажности грунта; С увеличением влажности резко уменьшается С0. Коэффициент внутреннего сцепления зависит также от вида грунта; У Связных грунтов С0 больше, чем у несвязных, сыпучих;
Значительное влияние на параметры взаимодействия шины с грунтом оказывает коэффициент внутреннего трения грунта (таб-лица 4.4); Увеличение коэфрциента внутреннего трения не толькс улучшает сцепление между шиной и грунтом, но и существенно повышает прочностные свойства грунта.
Таким образом механические характеристики грунта оказывают большое влияние на параметры взаимодействия шины с грунтом, особенно на сопротивление качению. Деформируемость грунта, которая определяется набором механических характеристик грунта,
Влияние радиальной нагрузки и внутреннего давления шины
Таким образом для диагональных шин жесткость резины мало жесткостные влияет на к:-—дії , характеристики шины, тем самым и на параметры контакта между шиной и грунтом. В радиальной конструкции в связи с меридиальным расположением нитей окружная жесткость шины существенно зависит от жесткости резины боковой стенки. Но параметры контакта зависят в основном от радиального прогиба шины, который в свою очередь определяется в основном радиальной жесткостыо шины, а влияние жесткостных характеристик в окружном направлении мало влияет на последний. При качении пневматической шины по твердой опорной поверхности потери на трение между шиной и дорогой очень малы по срав нению с гистерезисными потерями в шине; Поэтому улучшіая [ гис-терезисные свойства материалов шины (резины и корда) можно добиться резкого снижения коэффициента сопротивления качению Это является одним из основным направлением в создании топливо-экономических шин. Другая картина наблюдается при качении пневматической шины на деформируемом грунте. В последнем случае гистерезисные потери составляют лишь до 15$ от общих потерь. Остальное идет на уплотнение грунта; (колеиобразование), поэтому влияние гис терезисных характеристик резины на коэффициент сопротивления принтчго качению проявляется в меньшей степени. В нашей работ в гиств резисныв свойсвва композита не отличаются от гистерезисных свойств резины и характеризуются модулем внутреннего трения резины; В таблице 4.18 приведены результаты расчета гистерезиских потерь в шине 14.00-18 на вспаханном поле в зависимости от зна чения модули внутреннего трения резины; Одной из причин потери сцепления является скольжение шины по поверхности контакта; Скольжение шины по поверхности грунта характеризуется коэффициентом трения между резиной и грунтом Ктр. Строго говорить, то этот коэффициент зависит от нормального давления, онррости скольжения, формы поверхности [8lJ Iі Но в данной работе мы принимаем, что коэффициент трения вывода I.Впервые для исследования работы пневматической шины на деформируемом грунте использована математическая модель "кольцо на упругом основании",которая была разработана для анализа статической деформации и работы шины при качении по твердой поверхности.
В качестве критериев оценки проходимости приняты показатель проходимости /удельный запас силы тяги/ и коэффициент сопротивления качению.Зти показатели определяют нетолько возможность, но и эффективность /движение с меньшей затратой мощности/ прео-деления автомобилем бездорожья.
Установлено,что не возможно построить общую расчетную схему для исследования работы шины на грунтах разных состояний,т.к. каждое состояние грунта имеет свои особенности,пренебрежение которыми приведет к ошибочным результатам.Правильным путем является построение расчетных схем работы шины на типичных состояниях грунта: пластичное/всхапанное поле,глинистые грунты влажности до 35 %/,текучее/переувлаженные грунты/,грунт с низким коэффициентом внутреннего сцепления /сухой песок/,и.т.д. 4.Построена расчетная схема работы шины на пластичном грунте. Разработан метод расчета большего количества параметров контакта шины с грунтом в зависимости от конструктивных параметров,режима нагружения шины и механических характеристик грунта.Разработана система программа на Фортране-Ж для ЭВМ,предназначенная для расчета коэффициента сцепления,коэффициента сопротивления качениі радиального прогиба шины,глубины колей,распределения контактных напряжений в продольном направлении и других параметров. 5.Разработанная методика дает возможность оценить по проходимост] ту или иную конструкцию шины,тем самым найти резервы повышения проходимости автомобиля п тем изменения конструкции шины и свойств ее материалов.
Проведены обширные машинные эксперименты по исследованию влияния отдельных механических характеристик грунта,основных конструктивных параметров и режима нагружения шины на показатели проходимости.Для подверждения основных выводрв привлечены резуль таты экспериментальных исследований,приведенных в работах других авторов.
Расчетный анализ показал,что с точки зрения повышения проходимости шины важнейшими факторами являются радиальная жесткость шины,зависящая от внутреннего давления,угла расположения нитей, конфигурации профиля,а также наружный диаметр и ширина профиля. Жесткостные характеристики рехины не оказывают существенного влияния на параметры контакта,но улучшение гистерезисных свойств резины положительно сказывается на проходимость автомобиля.
