автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Диагностика тормозных систем АТС на основе измерения сил в пятнах контакта колес с беговыми барабанами стенда

На правах рукописи

ЛЕ ВАН ЛУАН

ДИАГНОСТИКА ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ АТС НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ В ПЯТНАХ КОНТАКТА КОЛЕС С БЕГОВЫМИ БАРАБАНАМИ СТЕНДА

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат „ .. „

J - I 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005562750

Иркутс::-2015

005562750

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования (ФГБОУ ВО) «Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Научный руководитель: Федотов Александр Иванович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильного транспорта» ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Официальные оппоненты: Балакина Екатерина Викторовна,

доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»;

Малюгин Павел Николаевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация и безопасность движения», ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия», г. Омск

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина»,

г. Саратов

Защита состоится 20 октября 2015 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» и на сайте: http://vvww.istu.edu/structure/54/5042/?dis_id=19517

Автореферат диссертации разослан 10 сентября 2015 г.

Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять в адрес диссертационного совета: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04; e-mail: ds04@istu.edu; факс: (3952) 40-50-85

Ученый секретарь диссертационного совета

Красноштанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные автотранспортные средства (АТС) являются объектами повышенной опасности. Обладая большими массами и двигаясь с высокими скоростями, они имеют единственную возможность быстрого снижения скорости -использование эффективной тормозной системы и сил сцепления с дорожным покрытием. Именно поэтому в условиях эксплуатации особое внимание уделяется контролю технического состояния тормозных систем АТС, который может выполняться как дорожными, так и стендовыми методами. Стендовые методы получили наиболее широкое распространение, поскольку имеют ряд преимуществ, перед дорожными. Стенды с беговыми барабанами компактны, удобны в работе, реализуют принцип обратимости движения и, как правило, устанавливаются в закрытых от внешней среды помещениях. Вместе с тем стендовые методы имеют и ряд существенных недостатков. Нередки случаи, когда АТС, получившие положительное заключение по итогам контроля на стендах с беговыми барабанами, не обеспечивают показателей тормозной эффективности и/или устойчивости при торможении в дорожных условиях.

Принято считать, что стендовые методы позволяют выполнять только грубую оценку технического состояния тормозных систем АТС, поскольку механика взаимодействия их колес с плоской опорной поверхностью дороги сильно отличается от механики взаимодействия с цилиндрическими поверхностями барабанов стендов. Попытки учета этого отличия при определении показателей процесса торможения АТС на стендах с беговыми барабанами наталкиваются на противоречие, связанное с отсутствием знаний о закономерностях, характеризующих потенциальные способности автомобильных шин создавать продольные реакции с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда. Это снижает качество контроля технического состояния тормозных систем автомобиля на стендах. Поэтому проведение научного исследования, направленного на повышение качества контроля технического состояния тормозных систем АТС на основе учета закономерностей силового и кинематического взаимодействия шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда является актуальным.

Рабочей гипотезой являлось предложение о том, что качество контроля тормозных систем АТС на стендах с беговыми барабанами можно значительно повысить, если в процессе их торможения на цилиндрической поверхности бегового барабана диагностического стенда учитывать закономерности распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шин.

Целью работы является повышение качества контроля технического состояния тормозных систем АТС в условиях эксплуатации на основе учета закономерностей силового и кинематического взаимодействия шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда.

Объект исследования - Процесс силового и кинематического взаимодействия автомобильной шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения.

Предмет исследования — Закономерности, характеризующие процесс взаимодействия автомобильных шин с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда, позволяющую рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин, а также коэффициенты математической модели шины Расе]ка Н.В. - Дика А.Б;

2. Получить эпюры распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шины с цилиндрической поверхностью барабана стенда, проанализировать возможность построения на их основе стационарных характеристик сцепления шин и определения основных коэффициентов математической модели шины Расе]ка Н.В. - ДикаА.Б.;

3. Выявить функциональные зависимости основных параметров стационарных характеристик сцепления шин от диаметра цилиндрической поверхности барабанов диагностических стендов, нагрузки на колесо и его радиуса;

4. Научно обосновать и апробировать методику стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда;

5. Выполнить производственную проверку результатов научного исследования и дать им технико-экономическую оценку

Научной новизной обладают:

1. Математическая модель процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда;

2. Выявленные функциональные зависимости основных параметров стационарных характеристик сцепления шин от диаметра цилиндрической поверхности барабанов диагностических стендов, нагрузки на колесо и его радиуса;

3. Методика стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда.

Теоретическая значимость исследования

Разработанная математическая модель позволяет исследовать процессы взаимодействия автомобильной шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения;

Выявленные закономерности позволяют значительно расширить знания о процессах, происходящих в пятне контакта шины с цилиндрической поверхностью бегового барабана стенда, выполнять анализ погрешностей, возникающих при определении потенциальных способностей автомобильных шин к созданию касательных реакций с цилиндрической поверхностью бегового барабана стенда.

Практическая значимость исследования. Организациям, выполняющим исследования в области процессов торможения АТС, фирмам, выполняющим разработку диагностического оборудования для контроля технического состояния тормозных систем результаты исследования позволяют значительно повысить метрологические свойства разрабатываемых и выпускаемых тормозных стендов с беговыми барабанами. Центрам инструментального контроля, станциям диагностики, выполняющим технический осмотр АТС, разработанная методика и реализующее её оборудование позволяют значительно повышать качество контроля тормозных систем АТС на стендах с беговыми барабанами в условиях эксплуатации.

Предполагаемые формы внедрения и ожидаемые результаты. Методика и реализующее её оборудование могут быть внедрены на фирмах, выпускающих оборудование для диагностики тормозных систем АТС. Их внедрение позволяет повысить информативность, снизить металлоемкость и конструктивную сложность диагностических стендов. Внедрение в центрах инструментального контроля и станциях диагностики позволит значительно повысить информативность и качество контроля тормозных систем АТС в процессе технического осмотра.

Методы исследований. Экспериментальные исследования процессов взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической поверхностью беговых барабанов осуществлялись стендовыми испытаниями. В аналитических исследованиях использованы численные методы математического анализа и математического моделирования, решения дифференциальных, алгебраических уравнений и неравенств. Планирование эксперимента, оценка математической модели, а также обработка полученного экспериментального материала осуществлялась на основе методов теории вероятности и математической статистики.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ЗАО Промышленная группа «ГАРО», г. Великий Новгород и в ОАО «Грузовое автотранспортное предприятие №2» г. Улан-Удэ. Внедрены в учебный процесс кафедры «Автомобильный транспорт» института «Авиамашиностроения и транспорта» ФГБОУ ВО ИрНИТУ.

Научные положения, выносилше на защиту:

1. Качество контроля тормозных систем АТС на стендах с беговыми барабанами можно значительно повысить, если нагрузку на колесо и тормозные силы определять одновременно, в процессе торможения, на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шин с цилиндрической поверхностью бегового барабана;

2. На основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шин с цилиндрической поверхностью бегового барабана диагностического стенда можно с минимальными погрешностями определять стационарные характеристики сцепления шин, а также рассчитывать коэффициенты математической модели шины Pacejka H.B. - Дика А.Б.;

3. Разработанная методика стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда позволяет значительно снижать погрешности измерения тормозных сил, вызванных колебаниями нагрузки на колесах АТС, а также их позиционированием относительно барабана стенда.

Апробация работы. Материалы и результаты проведенного научного исследования доложены и получили одобрение на III Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» - Иркутск, в апреле 2013 г.; на 83-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. - Иркутск, в сентябре 2013 г.; на научно-техническом семинаре СиБАДИ, г. Омск, в ноябре 2013 г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» - Иркутск, в апреле 2014 г.; на конкурсе научно-инновационных проектов «Изобретатель XXI века» в рамках Всероссийского фестиваля науки - Иркутск, в октябре 2014 г.; на 90-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров - Иркутск, в апреле 2015 г.; на VI Международной конференции «Проблемы механики современных машин» - Республика Бурятия, ВСГУТУ, СОЛ «Ровесник» (оз. Байкал), в июле 2015 г.

Личный вклад автора заключается в разработке математической модели, выполнении расчетов на ней, в разработке методик исследования и изготовлении исследовательского оборудования, в проведении аналитических и экспериментальных исследований, в разработке и апробации новой высокоинформативной методики диагностики тормозных систем АТС на однобарабанном стенде, от разработки идеи до производственной проверки.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, общим объемом 5,93 усл. п. л., (автору принадлежит 4,15 усл. п.л.), из них 3 статьи в изданиях из Перечня ВАК РФ, 1 Патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 306 наименований, в том числе 65 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 248 страницах машинописного текста и включает 47 таблиц, 100 рисунков и 4 приложения с материалами результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи, рабочая гипотеза, объект, предмет и методы исследования, научная новизна и практическая значимость работы, основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит аналитический обзор методов и средств диагностирования тормозных систем АТС, и также подходов к моделированию работы шины и механики её взаимодействия с опорной поверхностью в процессе торможения.

Большой вклад в развитие теоретических основ, методов и средств диагностики внесли: Аллилуев В.А., Аринин И.Н., Биргер И.А., Болдин А.П., Борц А.Д., Васильев В.И., Веденяпин Г.В., Верзаков Г.Ф., Гернер Б.В., Говорущенко Н.Я., Гришкевич А.И., Гребенников A.C. , Гурьянов С.И., Денисов A.C., Косолапов Г.М., Колчин A.B., Крамаренко Г.В., Левинсон Б.В., Лившиц В.М., Малюков A.A., Михлин В.М., Мирошников Л.В., Мозгалевский A.B., Павлов Б.В., Сергеев А.Г., Серов A.B., Терских И.П., Федотов А.И., Малюков A.A., Черноиванов В.И., Харазов A.M., Н. Gethoffen, F. Н. Lange, R. Rabiner и многие другие.

Анализ публикаций их работ показывает, что результаты оценки технического состояния тормозной системы АТС на стендах и в дорожных условиях далеко не всегда могут быть сопоставимыми. При проведении технического осмотра стенды не всегда дают объективную оценку технического состояния АТС в условиях эксплуатации. Одной из причин этого является значительная разница в механике взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью стенда, и с плоской опорной поверхностью дороги.

Изучению характеристик взаимодействия эластичных шин АТС с опорной поверхностью и разработке их математических моделей посвятили свои труды: Балакина Е.В., Вирабов Р.В., Гусев А.Г., Дик А.Б., Ечеистов Ю.А., Мамаев А.Н., Зотов

B.М., Кнороз В.И., Малюгин П.Н., Морозов Б.И., Петров М.А., Ракляр А.М, Рыков

C.П., Смирнов И.А., Туренко А.Н., Федотов А.И, Чудаков Е.А. Pacejka H.B, Burckhardt, Dugoff H„ Lu Gre, Ellis J.R., Ing. R.T. Uil, I.J.M. Besselink, Gurkan Erdogan, R. Rajamani, Johnson K.L., Nguyen, P. K. and E. R. Case и д.р.

Результаты анализа позволяют выделить 5 основных групп моделей шин. Модели, построенные на описании физических процессов взаимодействия эластичной шины с плоской опорной поверхностью. Модели, выполненные на основе эмпирического подхода. Полуэмпирические модели. Модели, использующие комбинированный подход. И модели, использующие конечно-элементные методы.

Все эти модели разработаны для движения шины по плоской опорной поверхности, т.е. не учитывалась её кривизна. Таким образом, выполнение расчетов процессов торможения эластичной шины на цилиндрической опорной поверхности с помощью существующих моделей шин нельзя считать корректным.

В конце главы, сформулированы выводы и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке теоретических предпосылок повышения качества контроля процесса торможения колес АТС на беговых барабанах стендов. Составлена структурно-следственная схема системы «шина - беговой барабан -стенд», которая представлена на рис. 1.

i

Система "шина-Вегодой Варабан-стенд"

Прийод НароНана

MemvmSsit&sehzz&pa 1 ' fbvfo^c чсгсс i ;

и .. .. !.......

i

¡.....--

и.

и

! Т I

ч-ч

R,A

АЦП

Ч'Ч Г

кл'

Ноутбук

Я. £ ф

Рис. 1. Структу рная схема системы «шина - беговой барабан - стенд»

Схема позволила выявить взаимосвязи между входящими в нее элементами. В соответствии со схемой, элементарная нормальная AR:, и элементарная касательная ARx реакции в пятне контакта шины могут быть выражены функционалами вида:

Mz=f[s{a>K(t)'4'r*,'b't)'GK,Ew, k,,,,^,!^,^,^)] (1)

Mx=f[s{4(')>4'^r6,t),GK,Eu„ k„,,Gf,Ld(r6,GK,£j] (2)

где Okit) - функция зависимости угловой скорости колеса от времени, [с"']; сои -угловая скорость бегового барабана, [с'1]; гт - радиус колеса в ведомом режиме, [л/1; го - радиус бегового барабана, [.и]; S(ох, т. rm re, t) - функция проскальзывания; GK -нормальная нагрузка на колесо, [//]; Еш - модуль Юнга для шин радиальной конструкции [Н/м2]\ кш - коэффициент демпфирования шины, [Н-с/м]\ Gc - модуль сдвига элементов шины в тангенциальном направлении, [Н/м2]\ Ld - длина пятна контакта шины с цилиндрической опорной поверхностью [л/].

Коэффициент сцепления шины с беговым барабаном диагностического стенда может быть выражен как:

9

(3)

Далее была разработана математическая модель, описывающаяся процесс взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда в режиме торможения с учетом радиуса бегового барабана, радиуса колеса, нормальной нагрузки на колесо, распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шин.

Разработанная модель шины является комбинированной. Её каркас представлен в виде «жесткой ленты на упругом основании», а периферийный слой беговой дорожки шины представлен щёточной моделью, основанием которой является лента каркаса (рис.2).

Сделано допущение о том, что жесткая лента равно удалена от центра колеса и крепится к его ободу упругим в радиальном направлении основанием, состоящим из пружин, обладающих жесткостью с модулем Юнга Еш, и узлов трения, создающих демпфирование, характеризуемое коэффициентом кш.

Расчетная схема деформации эластичной шины при её качении по цилиндрической опорной поверхности представлена на рис.3.

Согласно схеме, начальные углы сектора шины и бегового барабана по пятну их контакта определяли, как:

«„ = агссоБ

/70 = агссо51 " ^ ^ I (5)

где гсв - свободный радиус шины, [м]; /с - расстояние между центрами колеса и барабана, [м].

В произвольный момент времени г, радиальная деформация сечения АВ шины (рис. 3) в /-ой точке пятна контакта, определяется как:

^$Ра*=г„-г>-К (6)

Рис.3. Расчетная схема деформации эластичной шины при её качении по цилиндрической опорной поверхности

Вследствие радиальной деформации Д<5рад сечения шины, в точке 5, пятна контакта возникает напряжение, величина которого определяется по закону Гука:

где п - текущий радиус шины, [м]; ко — высота протектор шины, [м].

где Н - Высота профиля шины, [м].

Кроме напряжения, вызванного радиальной деформацией шины, в рассматриваемом её сечении также возникает напряжение от демпфирующей силы оэ. В первом приближении она может быть определена по формуле:

(8)

где ¿Б - бесконечно малое приращение площади пятна контакта.

Удеф - скорость деформации рассматриваемого сечения шины, [м/с] (рис. 4):

где Уокр - окружная скорость, [м/с].

+Д)

Поижина

лента

Рис. 2. Схема модели шины - «жесткая лента на упругом основании - щётка»

Колеса

Элемент протектора Бегов, барадон

Сдвиговая деформация шины в тангенциальном направлении возникает вследствие действия продольной (касательной) силы, которой противодействует сила трения между шиной и цилиндрической поверхностью стенда (рис. 5).

Каркас шины движется относительно поверхности барабана со скоростью сокГк, а зона скольжения в пятне контакта перемещается со скоростью сов'Гб■ Таким образом, по схеме, рис. 5, тангенциальную сдвиговую деформацию элемента шины определим по формуле:

= (10) Сдвиговое напряжение, вызванное тангенциальной сдвиговой

деформацией определим по формуле:

<3 Д 6 Л

. с_сов

К

(11)

Сдвиговое напряжение ас будет

увеличиваться до тех пор, пока его

величина не достигнет предела, ограниченного силой трения:

(Гс<^(Тг

где а- - нормальное напряжение в данной точке пятна контакта шины, [Н/м2];

ц - коэффициент трения шины с опорной поверхностью;

Рис. 4. Схема определения скорости нижней точки пружины в пятне её контакта с цилиндрической опорной поверхностью барабана

(12)

Рис. 5. Схема сдвиговой деформации элементов протектора шины

Таким образом, при плоскопараллельном движении от каждой точки пятна контакта шины на опорную поверхность действует три вышеперечисленных напряжения, и вызывает реакции опорной поверхности:

М=-<7 = -(оуп+СТд+<Ус) (13)

Разделим суммарную реакцию на составляющие, действующие в нормальном и касательном направлениях:

1. Элементарная нормальная реакция в данной точке пятна контакта:

|(ег +о\ ч-стЛ-стеГа, + Д),если(<т + сгЛ-совГа, + Д )< Д/? ДЛ. ' ' (14)

I Дй,тал +ас соБ(а,. + Д), если(ст„ +ст))-со5(а; + Д.)> ДЯ.тах

где ДЯ-^ах - максимальное значение элементарной нормальной реакции, распределенной по длине пятна контакта шины, [Н/м].

2. Элементарная касательная реакция в данной точке пятна контакта:

д^ i + о; + ст.) • sin (а, + Д), если ARX < // • ^^

[/у-ДЙ., еслиДЯг>/уДЛ;

Вышеизложенный математический аппарат позволяет выполнять расчёты и строить эпюры распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шины с цилиндрическими опорными поверхностями стендов.

Разработан алгоритм построения {(р - 5) — диаграммы на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта, согласно которому проскальзывание 5 шины определялось по формуле:

5 = 1 (16)

Величину коэффгщиента сцепления ср определяли по формуле:

9 = \ (17)

Нормальную /?с и касательную Ях реакции определяли на основании эпюр их распределения вдоль пятна контакта по формулам:

R. R. =

¡"AR.-dx (18)

Jo z

\^ARxidx (19)

В конце главы разработан алгоритм расчёта параметров системы «шина - беговой барабан - стенд» на основе математической модели, представлен метод аппроксимации эмпирических зависимостей.

Третья глава посвящена методикам экспериментальных исследований.

Приведено описание методик: оценки погрешностей систем измерения, планирования экспериментальных исследований; обработки результатов экспериментальных исследований; оценки адекватности математической модели.

Разработаны методики: экспериментальных исследований характеристик сцепления эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью; тарировки систем измерения; исследования радиуса качения колеса в ведомом режиме.

Для реализации ____^¿.¡¡З

представленных выше 1 Г |

методик был А.-* - —""»яд^ ^ДМКДДи 11 I

спроектирован и

изготовлен уникальный стенд, позволяющий исследовать процессы, протекающие в пятне контакта эластичной шины с беговым барабаном. Внешний вид стенда и его структурная схема представлены на рис. 6. Рис. 6. Внешний вид стенда для исследования процессов и рис. 7. взаимодействия шины с беговым барабаном

2 3 4 5 6 7 8 9 / 5

6 7

а) Вид сверху

б) Вид слева

Рис. 7. Функциональная схема стенда для исследования процессов взаимодействия шины с беговым барабаном стенда

Конструкция стенда включает силовую систему, обеспечивающую задание тестовых режимов, и систему измерения (рис. 8) параметров процесса взаимодействия шины с цилиндрической поверхностью барабана.

7 4

щ II

ЕЕ

10

8

Рис. 8. Схема датчика с тензометрической балкой для измерения элементарных нормальных и касательных реакций в пятне контакта шины с цилиндрической опорной поверхностью барабана (Патент 2010141337)

Разработанная измерительная система (рис. 8) позволяет одновременно измерять элементарные нормальные и элементарные касательные реакции, распределенные по длине пятна контакта шины с цилиндрической поверхностью барабана, обеспечивая минимальные погрешности.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных и аналитических исследований.

Впервые были получены экспериментальные и аналитические эпюры распределения нормальной и касательной ЛЛ реакций по длине пятна контакта шины с цилиндрической поверхностью одиночного барабана стенда (рис. 9). юо

| ао з' <Х>

I 10

1 20

? О о ж

2 -20 4 о

ar2 У

/ // Y

/ \ \

/

// \

\

> 20 40 60

Длина пятна контакта I -a) S = 0.00

Длина пятка контакта Lj, мм б) S «

Длина пятна контакта £ - лмг a) S = 0,20

Эксперимент

Длина пятна контакта L- мм г) S = 1,00

----Расчент

Рис. 9. Графики эпюр распределения нормальных ЛЯг и касательных ДЯх реакций по длине пятна контакта шины Ат1е1175/65-Ш4-82Н с цилиндрической опорной поверхностью барабана диаметром 0,24 м, при нагрузке на колесо Ск=3,7 кН и давлении воздуха в шине 0,21 МПа

По эпюрам распределения нормальной Д/?; и касательной ЛЯ, реакций по длине пятна контакта шины с поверхностью барабана были определены коэффициенты сцепления щ, для каждого значения проскальзывания 5 по формулам (17-И9).

Рассчитаны значения нормированной функции проскальзывания по формуле:

/(5) = -2- (20)

^тах

Построен график нормированной /(5) - диаграммы, являющейся основой для расчетов коэффициентов модели шины Расе}ка Н.В. - Дика А.Б. (рис. 10).

Анализ результатов экспериментальных и аналитических исследований представленных на рис. 9 и 10 показывает хорошую сходимость расчётных и экспериментальных значений элементарных нормальных и касательных Мх реакций, а также нормированных/^) - диаграмм.

Проверка разработанной автором математической модели системы «шина ~ беговой барабан-стенд» по критерию Фишера позволяет утверждать, что она значимо описывает реальные процессы и является адекватной.

Расчет

Рис. 10. Графики нормированных /($) - диаграмм

шины АпИе1 175/65-Ш4-82Н, диаметр барабана 0=0,24 м, нагрузка на колесо вк= 3,7 кН, давление воздуха в шине 0,21 МПа

С использованием разработанной математической модели было проведено аналитическое исследование закономерностей процесса взаимодействия шины тормозящего колеса АТС с цилиндрической опорной поверхностью стенда.

На рис. 11 представлен график влияния диаметра бегового барабана стенда на параметры, характеризующие процесс торможения шины на цилиндрической опорной поверхности стенда.

ЛАи* = -5.2 %

Рис. 11. Графики - диаграмм при изменении диаметра бегового барабана от 0,24 мм до 10 мм: шина 175/65 Ш4, нормальная нагрузка на колесо вк = 4,2 кН

= 10,3 <

S

1,0

Проведено исследование влияния диаметра бегового барабана на величину каждого параметра нормированной f(s) - диаграммы в отдельности при варьировании нормальной нагрузки на колесо (рис. 12).

Анализ графиков, приведённых на рис. 11 и 12 показывает, что с уменьшением диаметра цилиндрической поверхности барабана стенда от 10 м до 0,24 м, коэффициент сцепления шин в блоке (ро уменьшается на 10,3%, максимальное значение коэффициента сцепления <ртах уменьшается на 5,2%, критическое проскальзывание SKp увеличивается на 54,2%, величина коэффициента «жесткости проскальзывания» tjs уменьшается на 59%.

Установлено, что с уменьшением диаметра цилиндрической поверхности барабана стенда стационарная характеристика сцепления радиальной шины становится похожа на характеристику диагональной шины, с малой «жесткостью проскальзывания» - r/s и большим критическим проскальзыванием Sxp- Установление этого факта само по себе очень важно, поскольку он сильно качественно и количественно влияет на результаты контроля тормозных систем АТС.

30 -

ЧИР

ттах 0.99 0.97

0,95 0,93

О 4.7

ртЛ з 2

4,2

10

8

0,М

1,2

Ск, [кН]

О 4,7

4,2

3,7 6»,[кН}

с)

■П

0.90

0.85

0.80

0.75

0.23 , 0,18 0.13 0.08

0,М

О 4,7

4,2

За

3,7 в,, [к1(|

0,[м]

10

4.2

3.7 О'«, [кН]

3,2

г)

Рис. 12. Графики зависимости параметров нормированной/($) - диаграммы от диаметра барабана стенда и нормальной нагрузки на колесо (шина 175/65 Ш4, давление 0,21 МПа): а) коэффициента «жесткости проскальзывания» г|5; б) коэффициента сцепления в блоке ере; в) максимального коэффициента сцепления <ртах; г) критического проскальзывания Бкр.

Выполнено исследование с целью выявления влияния величины нормальной нагрузки на параметры, характеризующие процесс торможения эластичной шины на цилиндрической опорной поверхности стенда. Графики стационарных характеристик сцепления шины 175/65 Ш4 с цилиндрической поверхностью одиночного барабана стенда при изменении нормальной нагрузки на колесо, представлены на рис. 13.

Анализ графиков, приведённых на рис. 13 показывает, что увеличение нормальной нагрузки на колесо от 3,2 кН до 4,7 кН приводит к уменьшению коэффициента «жёсткости проскальзывания» на 10,2%, уменьшению коэффициента сцепления в блоке на 6,4%, и к увеличению критического проскальзывания на 10,6%.

Проведено исследование влияния силового радиуса качения гко колеса в ведомом режиме на параметры, характеризующие процесс его торможения на одиночном беговом барабане стенда диаметрам 0 0,24 м (рис. 14).

Анализ графиков, приведённых на рис. 14 показывает, что увеличение радиуса качения гко колеса в ведомом режиме от 0,247 м до 0,345 м приводит к увеличению коэффициента «жёсткости проскальзывания» на 12%, уменьшению критического проскальзывания на 9,4%.

ак = з,2кн

&<р6 = 6,4%

0,0 0,2 0,4

9 Ь<ртт = 1.1%

I- - 0.362 м

0.266 м

&<р6 = 1,8 %

Рис. 13. Графики изменения - диаграмм шины 175/65 Ш4 на беговом барабане диаметром 0=0,24 м при изменении нормальной нагрузки на колесо от 3,2 кН до 4,7 кН

Рис. 14. Графики (р-х) - диаграмм при изменении радиуса качения Гк0 колеса в ведомом режиме от 0,247 м до 0,345 м (нормальная нагрузка на колесо

Ок = 4,2 кН, диаметр барабана 0 = 0,24 м)

£

0,8 1,0

Проведено исследование качественных и количественных расхождений нормированных функций сцепления эластичной шины, с плоской опорой, и с цилиндрическим беговым барабаном стенда на основе коэффициентов модели Расе]ка Н.В. -ДикаА.Б.

Результаты изменения коэффициентов а и Ь модели Расе]ка Н.В. - Дика А.Б при варьировании диаметра барабана от 0,24 до 10,0 м представлены на рис. 15.

Анализ графиков, приведённых на рис. 15 показывает, что с уменьшением диаметра бегового барабана стенда, коэффициент а нормированной функции проскальзывания модели Расе]ка Н.В. - Дика А.Б увеличивается, а коэффициент Ъ уменьшается. Характерно, что для шины размером 175/65 Ю4, нагруженной нормальной нагрузкой 3,2 кН, на одиночном беговом барабане стенда диаметром 0,24 м, коэффициент а увеличивается на 11,6 % в сравнении с торможением на плоской опорной поверхности, а коэффициент Ъ уменьшается на 63,8%

1,55

1,50

1.45

1.40

135

130

1,25

¥

коэффициент а коэффициент Ь

8 10 диаметр барабана , 0 [м]

Рис. 15. График

зависимости коэффициентов модели Расе]ка Н.В.-Дика А.Б,

от диаметра бегового барабана при варьировании нормальной нагрузки на колесо:

1 - Ок = 3,2 кН;

2 - вк = 4,2 кН, (шина 175/65 Ш4)

Таким образом, кривизна пятна контакта цилиндрической поверхности барабанов стендов, очень сильно влияет на стационарные характеристики сцепления шин (как качественно, так и количественно). Она оказывает значительное влияние на процессы взаимодействия шин с беговым барабаном стенда и, как следствие, на выходные параметры, характеризующие процесс торможения АТС.

На основе результатов проведенного исследования и выявленных закономерностей разработана методика высокоинформативного контроля тормозных систем АТС на стенде с одиночным беговым барабаном (Патент 2010141337). Методика позволяет прогнозировать характеристики шин при торможении АТС на плоской опорной поверхности дороги с использованием результатов испытаний на диагностическом стенде с беговым барабаном. Тормозную эффективность АТС оценивали по удельной тормозной силе /Т:

Ут =

IX

М8

где

/Ч/ - тормозные силы на колесах АТС = Яа, [Н]; М - масса АТС, [кг] Устойчивость АТС при торможении оценивали относительной тормозных сил на колесах проверяемой оси:

Ки Ут""~Гт-'°1.юо%

(21)

разностью

(22)

где Бтпр , Ртлев - соответственно, тормозные силы на правом и левом колесах диагностируемой оси АТС, [Н]; Бттах - наибольшая из тормозных сил, [Н].

Для реализации высокоинформативного метода контроля тормозных систем АТС были разработаны алгоритм (рис. 16), а также оригинальная конструкция стенда с одиночным беговым барабаном (рис. 17).

Разработанная конструкция стенда имеет ряд преимуществ, по сравнению с существующими силовыми стендами с беговыми барабанами. Она менее металлоемка {его масса на 42% меньше аналогичного силового тормозного стенда) и конструктивно менее сложна, чем аналоги.

4 Визуальный осмотр

Выявление

хода пршван нешфзвиоск

Подготовительные операции

Тестовое воздействие (разгон и торможение колес)

Измерение и сохранение

измеряемых параметров ♦

Построение зависимостей

(у -!) II для каждого колеса

на поверхности барабана Расчет констант дня модели

Щ, /,. 9т. а. Ь. а,. Я,

15

Подстановка констант в математическую модель

Замена 0 - х в мат. модели п выполнение расчетов

Построение зависимостей <9-у и зяя ого колеса I АТСнаплоскойповершостн Расчет констант для модели

Ц. /.,?„„. а, Ь.

Построение зависимостей

В,"МЛ -М

Расчет показателей и К,

Посьтжа .шазьнаю диагноза о iwe.il схлюяишторцозкоа системы

Лсшгфанный

г »1 ^ ■—¡г^'УХгр. Червячны» Г'__Н редуктор

Рис. 16. Структурная схема алгоритма контроля технического состояния тормозных систем АТС на стенде с одиночным беговым барабаном

Рис. 17. Функциональная схема стенда с одиночным беговым барабаном для контроля тормозных систем АТС разработанным методом

Проведенная производственная проверка разработанного метода, методики и диагностического оборудования в ЗАО «Промышленная группа «ГАРО»» г. Великий Новгород и ОАО «ГАП-2», г. Улан-Удэ показала их высокую эффективность в условиях эксплуатации АТС.

Результаты производственной проверки в ОАО «ГАП-2» показывают, что количество случаев некачественного контроля тормозных систем АТС сократилось в среднем на 12,4%, а потребность в их функциональном диагностировании сократилась в среднем на 19,7%. Экономический эффект в расчете на одно АТС при их диагностировании с использованием научных разработок автора составил: 137,21 руб./ авт. Годовой экономический эффект при диагностировании 1432 единицы АТС составил 196484,72 рубля.

Заключение

Диссертация является завершенным исследованием, содержащим решение задачи повышения качества диагностики тормозных систем АТС на основе измерения сил в пятнах контакта колес с беговыми барабанами стенда. По результатам исследования сделаны следующие выводы:

1. Разработанная математическая модель позволяет выполнять аналитическое исследование процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда, рассчитывать эпюры распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта, стационарные характеристики сцепления шин, а также коэффициенты математической модели шины Расе]ка Н.В. - Дика А.Б\

2. Выполненные экспериментальные и аналитические исследования доказали возможность получения эпюр распределения нормальных и касательных реакций по длине пятна контакта шины с цилиндрической поверхностью барабана стенда. Доказана возможность построения на их основе стационарных характеристик сцепления шин с поверхностями беговых барабанов стендов, а также возможность определения основных коэффициентов математической модели шины Расе]ка Н.В. -Дика А.Б. для торможения колес АТС на беговых барабанах стендов;

3. Выявленные функциональные зависимости основных параметров стационарных характеристик сцепления шин показывают:

- с уменьшением диаметра цилиндрической поверхности барабана стенда от 10 м до 0,24 м, коэффициент сцепления шин в блоке (ре уменьшается на 10,3%, максимальное значение коэффициента сцепления (ртах уменьшается на 5,2%, критическое проскальзывание Бкр увеличивается на 54,2%, величина коэффициента «жесткости проскальзывания» г]5 уменьшается на 59%;

- увеличение нормальной нагрузки на колесо от 3,2 кН до 4,7 кН уменьшает коэффициент «жёсткости проскальзывания» г/5 на 10,2 %, коэффициент сцепления (ре в блоке на 6,4 %, увеличивает критическое проскальзывание Бкр на 10,6 %;

- увеличение радиуса качения колеса в ведомом режиме от 0,247 м до 0,345 м приводит к увеличению коэффициента «жёсткости проскальзывания» на 12%, уменьшению критического проскальзывания на 9,4%. При этом коэффициенты сцепления (ртах и <рб незначительно увеличиваются.

- с уменьшением диаметра бегового барабана стенда, коэффициент а нормированной функции проскальзывания модели Расе}ка Н.В. - Дика А.Б увеличивается, а коэффициент Ь уменьшается. Для колеса с шиной размером 175/65 Я14, нагруженного нормальной нагрузкой 3,2 кН, на одиночном беговом барабане стенда диаметром 0,24 м, коэффициент а увеличивается на 11,6 % в сравнении с торможением на плоской опорной поверхности, а коэффициент Ь уменьшается на 63,8%.

4. Научно обоснованная методика стендового контроля тормозных систем АТС на основе эпюр распределения нормальных и касательных реакций в пятнах контакта шин с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда позволяет значительно снижать погрешности измерения тормозных сил, вызванных колебаниями нагрузки на колесах АТС, а также их позиционированием, и значительно повышать качество контроля.

Измерения тормозных сил и нагрузки на шину выполняются непосредственно в пятне её контакта с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда. Нормальная нагрузка на колеса измеряется одновременно с измерением тормозных сил, это значительно повышает точность измерений показателей процесса торможения АТС. Методика учитывает кривизну пятна контакта шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана стенда и позволяет прогнозировать параметры процесса торможения АТС в дорожных условиях.

5. Реализующая методику конструкция стенда имеет ряд преимуществ, по сравнению с существующими силовыми стендами с беговыми барабанами. Она менее металлоемка (масса снижена на 42%) и менее сложна, чем аналоги. Нарушение позиционирования АТС на однобарабанном стенде в 6 раз менее существенно влияет на вариацию измерения тормозных сил, чем на стендах с парами беговых барабанов.

2. Производственная проверка результатов выполненного научного исследования выполнена в ЗАО «Промышленная группа «ГАРО»» г. Великий Новгород и ОАО «ГАП-2», г. Улан-Удэ. По итогам внедрения в технологический процесс ОАО «ГАП-2» установлено, что количество случаев некачественного контроля тормозных систем сократилось в среднем на 12,4%, а потребность в функциональном диагностировании АТС сократилась в среднем на 19,7%.

Экономический эффект в расчете на одно АТС при их диагностировании с использованием научных разработок автора составил: 137,21 руб./ авт. Годовой экономический эффект при диагностировании 1432 единицы АТС составил 196484,72 рубля.

Результаты научного исследования используются в учебном процессе кафедры «Автомобильный транспорт» ФГБОУ ВО «ИрНИТУ» при подготовке бакалавров и магистров для сферы эксплуатации автомобилей.

Материалы диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

- в изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Бойко A.B., Ле Ван Луан. Математическая модель для исследования влияния высоты относительного вертикального смещения беговых барабанов, на величину удельной тормозной силы // Вестник ИрГТУ. 7 (78). 2013. С. 73 - 81.

2. Федотов А.И., Бойко A.B., Ле Ban Луан. Анализ механики взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда // Вестник СибАДИ. Выпуск 1 (35). 2014. С. 34 - 38.

3. Ле Ван Луан. Математическое описание процесса взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда // Вестник СибАДИ. Выпуск 6 (40). 2014. С. 102 - 108.

- патент РФ:

Л. Патент № 2548643 Российская Федерация, МПК В60Т 17/22, G01L 5/28. Способ диагностирования тормозной системы автотранспортного средства и устройство для его осуществления / Ле Ван Луан, Федотов А.И., Халезов В.П., Бойко А.В //Заявитель и патентообладатель ИрГТУ. - № 2014111733/11; заявл. 26. 03.2014; опубл. 20.04.2015, Бюл. № И. - 10 с.

- в научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов:

5. Ле Ван Луан. Исследование распределения нагрузок эластичной шины на беговом барабане в режиме торможения: материалы VIII Межвуз. науч. конф. студентов, магистрантов и аспирантов «Развитие транспорта - основа прогресса экономики России». СПБ.:ИзПК СПБГЭУ, 2013. С. 48 - 52.

6. Ле Ван Луан. Исследование распределения реакций по длине пятна контакта тормозящей эластичной шины с беговым барабаном // Сб. III Всерос. науч.-практ. конф. «Авиамашиностроение и транспорт Сибири». (Иркутск, апрель, 2013). -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 168 - 174.

7. Бойко A.B., Ле Ван Луан. Аналитические исследования влияния высоты поднятия бегового барабана относительно другого на измерения силовых параметров: материалы LXXXIII междунар. науч.-техн. конф. ААИ. (Иркутск, сентябрь, 2013). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. С. 90 - 100.

8. Бойко А. В., Ле Ван Луан. Радиус качения колеса в ведомом режиме при взаимодействии с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана // Сб. науч. тр. Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием «Транспортные системы Сибири. Проблемы безопасности». (Красноярск, окт. 2013). Красноярск: ИЦ БИК СФУ, 2013. С. 276-283.

9. Ле Ван Луан, Федотов А.И. Математическая модель для расчета нормальных и касательных напряжений в пятне контакта колеса с эластичной шиной с плоской опорной поверхностью: материалы II Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием «Состояние и перспективы развития социально-культурного и технического сервиса». (Бийск, 24-25 апреля, 2014). Бийск: изд-во АлтГТУ, 2014. - С. 139 - 145.

10. Федотов А. И., Бойко А. В., Ле Ban Луан., Халезов В.П. Статические характеристики деформации эластичных шин при их взаимодействии с плоской опорной поверхностью дороги и с беговыми барабанами диагностического стендов // Сб. IV Всеросс. науч.-практ. конф. «Авиамашиностроение и транспорт Сибири». (Иркутск, апрель, 2014). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 126 - 137.

11. Федотов А. И., Бойко А. В., Ле Ван Луан. Математическая модель процесса взаимодействия колеса с эластичной шины с плоской и цилиндрической опорной поверхностью. // Сб. IV Всеросс. науч.-прак. конф. «Авиамашиностроение и транспорт Сибири». (Иркутск, апрель, 2014). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 142 -154.

12. Бойко A.B., Ле Ван Луан. Математическое описание процесса взаимодействия эластичной шины с плоской и цилиндрической опорной поверхностью: материалы ХС междунар. науч.-техн. конф. ААИ. (Иркутск, апрель, 2015). Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. С. 425 -441.

Подписано в печать 7.09.2015. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 205. Поз. плана 9н.

Отпечатано в Издательстве ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83