Методика расчета величин предельных диагностических нормативов для ошипованных зимних легковых шин

Скачать 377.83 Kb.

Название	Методика расчета величин предельных диагностических нормативов для ошипованных зимних легковых шин
страница	1/3
Дата публикации	17.07.2013
Размер	377.83 Kb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > Право > Автореферат

1 2 3

На правах рукописи

ШАРАТИНОВ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЕЛИЧИН ПРЕДЕЛЬНЫХ

ДИАГНОСТИЧЕСКИХ НОРМАТИВОВ

ДЛЯ ОШИПОВАННЫХ ЗИМНИХ ЛЕГКОВЫХ ШИН

Специальность 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Вологда – 2010

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Вологодского государственного технического университета

Научный руководитель:	кандидат технических наук, доцент Степанов Александр Сергеевич, Вологодский государственный технический университет
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Ложкин Владимир Николаевич, Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС России
	кандидат технических наук, доцент Подольский Николай Иванович, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Ведущая организация:	ООО «Научно-технический центр «НИИШП», г. Москва

Защита состоится « 25 » мая 2010 г. в 15³⁰ час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, г. Санкт - Петербург, ул. Курляндская, д. 2/5, ауд. 340К. Факс: (812) 316-58-72
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим присылать в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « 15 » апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, доцент С. В. Репин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Значительная часть территории РФ располагается в областях умеренного и умеренно-холодного климата, из-за чего большие по протяженности участки автодорожной сети страны в зимнее время года покрываются слоем укатанного снега или льда. Это существенно понижает безопасность дорожного движения и увеличивает продолжительность доставки грузов и пассажиров.

Существует множество способов борьбы с зимней скользкостью, но наиболее эффективным и общепризнанным является оснащение автомобильных шин шипами противоскольжения, благодаря которым удается повысить устойчивость и управляемость автомобиля на обледенелой поверхности дороги, сократить тормозной путь и время разгона, уменьшить утомляемость водителя и увеличить среднюю скорость движения.

В РФ с каждым годом все больше автовладельцев в зимнее время года устанавливают на свои легковые автомобили зимние ошипованные шины, что в совокупности с общим ростом численности автопарка увеличивает масштабы применения шипов противоскольжения. Но не смотря на это в России до сих пор отсутствуют положения, регулирующие использование шипов. Основной нормативный документ ("Правила эксплуатации автомобильных шин" (АЭ 001-04)), определяющий порядок обслуживания и эксплуатации автомобильных шин на территории РФ, к шипам противоскольжения предъявляет только одно требование – они должны устанавливаться на все колеса автомобиля, включая запасное. В отношении диагностирования технического состояния ошипованной шины в документе не предлагается никаких диагностических параметров кроме остаточной высоты протектора, с помощью которой невозможно оценить текущее техническое состояние ошиповки шины и её эксплуатационные свойства.

Учитывая тот факт, что общий ресурс ошипованной легковой шины зависит от ресурса ошиповки и может существенно уменьшаться при неблагоприятных условиях эксплуатации, отсутствие системы диагностирования ошипованных шин значительно снижает безопасность дорожного движения в зимнее время года.

При неконтролируемом изменении коэффициента сцепления ошипованной шины с поверхностью дороги возможно возникновение аварийных ситуаций, причиной которых становится увеличение тормозного пути и ухудшение управляемости легкового автомобиля.

В связи с этим, задача разработки системы диагностирования ошиповки зимних ошипованных легковых шин, включающей диагностические параметры и диагностические нормативы и позволяющей оценивать текущее техническое состояние и эксплуатационные свойства ошипованной легковой шины, весьма актуальна.

Цель работы

Выбор диагностических параметров для оценки технического состояния ошиповки зимних легковых шин и разработка методики расчета величин предельных нормативов для данных параметров на основе требований к безопасности эксплуатации автотранспорта в зимнее время.

Научная новизна

1. Разработана конечноэлементная модель системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения».

2. Разработана математическая модель ударного взаимодействия шипа с поверхностью дороги.

3. Разработана методика и оборудование для определения параметров упругих и демпфирующих связей в системе «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения – поверхность дороги».

4. Вычислена сила удара и импульс силы удара шипа о поверхность дороги при различной степени износа системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения». Установлено влияние степени износа данной системы на интенсивность ударного воздействия шипа на поверхность дороги.

5. Исследовано влияние интенсивности ударного воздействия шипа противоскольжения на скорость износа дорожного покрытия.

6. Исследована зависимость коэффициента сцепления ошипованной легковой шины с обледенелой поверхностью дороги от пробега шины с начала эксплуатации, температуры льда, количества выпавших или запавших шипов и высоты их выступания из протектора.

7. Разработана методика расчета величин предельных диагностических нормативов для выбранных диагностических параметров.

Практическая ценность

1. Использование предложенного комплекса диагностических параметров, включающего «смещение шипа под поперечной нагрузкой 65 Н», «количество выпавших или запавших шипов» и «высоту выступания шипов из протектора шины», позволит контролировать текущие эксплуатационные свойства зимней ошипованной легковой шины и повысить безопасность эксплуатации автомобильного транспорта в зимнее время.

2. Рассчитанные на основе предложенной методики величины предельных нормативов для выбранных диагностических параметров обеспечат возможность выявлять ошипованные легковые шины, эксплуатационные свойства которых перестают удовлетворять требованиям безопасности дорожного движения.

Апробация работы

Основные результаты работы представлены и обсуждены на конференциях:

– Молодые исследователи – регионам: Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Вологда: ВоГТУ, 2006 г.

– Ежегодная сессия аспирантов и молодых ученых. Вологда: ВоГТУ, 2007 г.

– Вузовская наука – региону: Шестая всероссийская научно-техническая конференция. Вологда: ВоГТУ, 2008 г.

– Восьмая международная научно-практическая конференция “Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах”. Санкт-Петербург:

СПбГАСУ, 2008 г.

– Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы развития лесного комплекса”. Вологда: ВоГТУ, 2008 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных статей.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 172 страницы текста, 17 таблиц, 46 рисунков, список используемой литературы, включающий 153 наименования работ, в том числе 82 работы на иностранных языках, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются основные аспекты решаемой в работе проблемы, показана актуальность темы, содержится формулировка цели, постановка задач, ее научное и практическое значение.

В первой главе проведен сравнительный анализ средств борьбы с зимней скользкостью на дорогах. Рассмотрены эксплуатационные свойства зимних шин и шипов противоскольжения. Проведен обзор информации о кинематике и геометрии автомобильного колеса, динамических эффектах, возникающих при столкновении шипа с поверхностью дороги, особенностях взаимодействия шипов противоскольжения с протектором шины и различными видами дорожных покрытий. Рассмотрены вопросы износа и надежности ошипованных шин, их воздействия на дорожное покрытие и экологию.

Проведен обзор публикаций, а также отечественной и зарубежной нормативной документации, посвященных эксплуатации ошипованных шин.

Установлено, что в РФ отсутствуют эксплуатационные нормативы для ошипованных шин, регламентирующие порядок оценки технического состояния ошиповки и принятия решения о прекращении эксплуатации ошипованной шины в случае несоответствия ее параметров требованиям безопасности дорожного движения. В действующей в настоящее время в РФ нормативной документации, касающейся эксплуатации автомобильных шин ("Правила эксплуатации автомобильных шин" (АЭ 001-04); ГОСТ Р 51893-2002 “Шины пневматические. Общие технические требования эксплуатации”), годность шин к дальнейшему использованию оценивается по остаточной высоте протектора и отсутствию надрывов, трещин, отслоений протектора и разрывов корда. Но в отношении ошипованных шин данной группы критериев недостаточно, так как они не отражают текущее состояние ошиповки.

Вследствие того, что ресурс ошиповки в значительной степени зависит от условий эксплуатации и при наличии чрезмерных нагрузок на шипы и высокой концентрации абразивных частиц на поверхности дороги может вырабатываться задолго до полной выработки ресурса самой шины, общее состояние шины также не может служить для оценки текущего состояния ошиповки.

Таким образом, имеется необходимость разработки диагностической системы для контроля изменений технического состояния ошиповки легковой шины, которая должна включать: диагностические параметры, отражающие текущее состояние ошиповки, методику их измерения и обоснованные диагностические нормативы.

Для обеспечения комплексного решения выявленной проблемы сформулированы задачи работы.

С целью получения исходной информации для выбора диагностических параметров и расчета диагностических нормативов необходимо проведение исследований по следующим направлениям:

– моделирование работы системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения – поверхность дороги»;

– определение интенсивности силового воздействия шипов на поверхность дороги;

– исследование влияния износа системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения» на её эксплуатационные свойства.

На основе полученных результатов:

– предложить диагностические параметры для оценки текущего технического состояния ошиповки зимней легковой шины;

– разработать методику расчета предельных диагностических нормативов для зимней ошипованной легковой шины.

Во второй главе с целью получения исходной информации для выбора диагностических параметров и разработки методики расчета величин диагностических нормативов построена конечноэлементная модель системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения – поверхность дороги» (см. рис.1) и математическая модель ударного взаимодействия шипа противоскольжения с поверхностью дороги.


а.	б.	в.
Рис.1. Конечноэлементная модель системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения – поверхность дороги»: а. – сеть конечных элементов, имитирующая деформируемый выступ протектора; б. – абсолютно жесткая поверхность, имитирующая шип противоскольжения; в. – абсолютно жесткая плоскость, имитирующая поверхность дороги с проколотым твердосплавной вставкой шипа отверстием.

Рис.2. Траектория движения шипа: Ф – точка начала передней дуги смятия шины; П₁ – точка перехода передней дуги смятия в отрезок пятна контакта; П₂ – точка начала задней дуги смятия; Л – точка перехода задней дуги смятия в окружность шины; r_см – радиус дуги смятия; _см – угол смятия; r_дин – динамический радиус шины; r_св – свободный радиус шины; b – длина пятна контакта;  – угловая скорость вращения колеса; V_a – скорость движения автомобиля.

Для построения математической модели ударного взаимодействия шипа с поверхностью дороги проведены аналитические исследования геометрии и кинематики легкового автомобильного колеса с целью определения скорости шипа в момент удара.

Установлено, что при вращении колеса шип перемещается по сложной траектории, которую в поступательно движущейся со скоростью V_a системе координат, жестко связанной с центром колеса, можно представить в виде замкнутой кривой, состоящей из дуги ЛФ с центром в точке О и радиусом r_св, дуг ФП₁ и П₂Л с радиусами r_см и отрезка П₁П₂ длинной b (рис.2). Дуга ЛФ представляет собой часть внешней окружности недеформированной шины. Дуги ФП₁ и П₂Л– внешнюю поверхность деформированной под нагрузкой шины вблизи поверхности дороги. Отрезок П₁П₂ – длину пятна контакта шины с дорогой.

В момент удара шипа о поверхность дороги он движется по дуге ФП₁ (рис.3). От скорости касания шипа с дорогой в точке К зависит сила удара.

Для определения скорости шипа в точке К необходимо знать радиус
смятия шины r_см, величину выступания шипа из протектора h₀ и угловую скорость вращения колеса .

Рис.3. Движение шипа до и после касания с поверхностью дороги: Ф – точка входа шипа в дугу смятия; К – точка касания шипа с дорогой; П₁ – точка полного утапливания шипа в протекторе шины; _кас – угол касания шипа с дорогой; h₀ – высота выступания шипа из протектора; l – расстояние от точки касания шипа с дорогой до полного утапливания шипа в протекторе;  – угол поворота шипа.

Значение радиуса смятия определяется свободным r_св и динамическим r_дин радиусами колеса, а также длиной пятна контакта b или углом смятия _см. Причем, одной комбинации радиусов r_св и r_дин может соответствовать множествокомбинаций r_см, b и _см.

Значения r_см, b и _см определяются по формулам:

; (1)

; (2)

(3)

Касательная V_x_О и нормальная V_y_О к поверхности дороги скорости движения шипа на траектории ФП₁ в системе координат, связанной с движущимся со скоростью V_a центром колеса (рис.4), определяются по формулам:

(4)

(5)

где x(t) и y(t) – координаты шипа, определяемые из системы уравнений:

(6)

где  – угловая скорость вращения колеса, рад/с; ₀ – начальный угол поворота прямой L₁ относительно оси X, рад.

Рис.4. Схема для определения скорости шипа на траектории ФП₁ : S₁(x,y) – первая точка пересечения вспомогательной прямой L₁ c окружностью смятия О_см; V_SO – скорость точки S₁(x,y) в движущейся системе координат XOY, связанной с центром колеса; V_xO, V_yO – горизонтальная и вертикальная составляющая скорости V_SO; S₂ – вторая точка пересечения прямой L₁ c окружностью смятия;  – угол поворота прямой L₁ относительно оси X .

Коэффициент трения твердосплавного стержня шипа о поверхность дороги меньше 0,1. Поэтому учитываем только нормальную скорость V_y_О.

Поворотом шипа и выступа протектора относительно поверхности дороги – угол  (рис.3) – пренебрегаем вследствие малого влияния на силу удара.

На рис.5,б приведена принципиальная схема модели «металлокордный каркас легковой шины – выступ протектора – шип противоскольжения – поверхность дороги», используемой для расчета силы удара. Металлокордный каркас шины через упругий и демпфирующий элементы С_р и R_р связан с выступом протектора массой М. Шип массой m связан с выступом протектора через элементы С_ш и R_ш. Ударное взаимодействие шипа и дороги описывается посредством элементов С_у и R_у.

С помощью системы дифференциальных уравнений движения (7), составленной для масс М и m, рассчитывается сила удара шипа о поверхность дороги в момент времени t . Начальным временем t₀ считается время касания шипа и дороги, которое зависит от выступания шипа из протектора (h₀) и радиуса смятия шины (r_см).

(7)

где =F₁(t), =F₂(t), =F₃(t) – обобщенные координаты шипа, выступа протектора и сектора металлокордного каркаса шины соответственно; М – масса выступа протектора, кг; m – масса шипа, кг.

Координата =F₃(t) считается изначально предопределенной и находится по методике, аналогичной определению скорости шипа, но с уменьшением радиусов r_св и r_дин на высоту выступа протектора.

Сила удара рассчитывается по формуле:

(8)

Импульс силы удара за расчетный временной интервал определяется по формуле:

(9)

где T – расчетный временной интервал, с.

Влияние износа системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения» на силу удара учитывается с помощью параметров С_ш и R_ш, описывающих текущее состояние связи шипа с выступом протектора.

а. б.

Рис.5. Принципиальная схема модели «металлокордный каркас легковой шины – выступ протектора – шип противоскольжения - поверхность дороги»: а. – система «металлокордный каркас легковой шины – выступ протектора – шип противоскольжения – поверхность дороги» с выделенными упругодемпфирующими связями; б. – схема модели «металлокордный каркас легковой шины – выступ протектора – шип противоскольжения - поверхность дороги».

Разработанные модели позволяют исследовать свойства системы «выступ протектора легковой шины – шип противоскольжения – поверхность дороги» и выявить основные факторы, влияющие на эксплуатационные свойства ошипованной легковой шины. Полученная информация даст возможность выбрать диагностические параметры, которые будут отражать текущее техническое состояние ошиповки.