автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Метод оптимальной балансировки колес легковых автомобилей

На правах рукописи

Горин Станислав Леонидович

Метод оптимальной балансировки колес легковых автомобилей

05 22 10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ16228и

Волгоград - 2007

003162280

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Сапронов Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дерюшев Виктор Владимирович кандидат технических наук, доцент Чернышов Константин Владимирович

Ведущая организация Авто Сервис Тест «BOSCH Service»

Защита диссертации состоится «9» ноября 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212 028 03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу 400131, г Волгоград, проспект Ленина, 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан «8» октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

0>£

Ожогин В А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В современных условиях развития вычислительной техники, численных методов, математического моделирования, а также потребностей отечественного автомобилестроения и наличия спектра достаточно точных балансировочных станков появилась возможность существенно улучшить качество балансировки колес легковых автомобилей Качество балансировки, в конечном счете, оценивается уровнем вибрации, передаваемой от колес на элементы автомобиля (руль, подвеску, кузов), от которого зависят многие эксплуатационные свойства автомобиля в целом (управляемость, динамичность, устойчивость, долговечность, удобство вождения автомобиля и т д) Остаточный уровень вибрации от колес легковых автомобилей зависит в том числе и от величины масс корректирующих (балансировочных) грузиков на каждую сторону колеса Так, согласно ГОСТу 4754-97 величины масс корректирующих (балансировочных) грузиков на каждую сторону колеса не должны превышать 60 г для радиальных шин с диаметром обода 13" и 80 г для диагональных шин с тем же диаметром обода При таких ограничениях в случае естественной несоосности полуоси на каждую устанавливается колесо, оси симметрии колеса и остаточное биение колеса по подвеске будут также ограничены При этом ГОСТ требует выполнения этих ограничений в динамике I

I

Разработке метода оптимальной балансировки колес легковых автомобилей, анализу основных технологических операций, от которых зависит выполнение требований и ГОСТа, и посвящена настоящая работа

В технической литературе по балансировке автомобильных колес из-

I

вестно понятие «оптимизация» взаимного положения шины и диска колеса легкового автомобиля В настоящей работе это понятие конкретизируется и расширяется При балансировке колес легковых автомобилей в настоящее время не производится «оптимизация» в условиях динамической балансировки колеса, поэтому и качество балансировки независимо от параметров

балансировочного станка оставляет желать лучшего В настоящее время появились все предпосылки для разработки дополнительных методов, входящих в состав балансировки, и на базе средств динамической балансировки, повышающих качество балансировки и позволяющих внедрить эти методы в практику массовых шиноремонтных мастерских в городских условиях

Работа выполнялась на кафедре «Автомобильный сервис, организация и безопасность движения» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса в период с 2001 по 2007 год

Целью работы является разработка метода повышения качества балансировки колес легковых автомобилей на базе средств и в условиях (среде) динамической балансировки, максимально приближаясь к выполнению требований ГОСТ 4754-97 с проведением операции «оптимизация» взаимного положения шины относительно диска колеса

Задачи исследований

1 Анализ изученности вопроса по комплексу работ, обеспечивающих качество динамической балансировки колес легковых автомобилей

2 Постановка и решение задачи «оптимизации» взаимного положения шины относительно диска в условиях динамической балансировки колес

3 Разработка алгоритмов и компьютерных программ для решения задачи определения оптимального взаимного положения шины относительно диска колеса легкового автомобиля, а также разработка вычислительного прибора, реализующего эти программы.

4 Проверка адекватности математической модели «оптимизации» реальному процессу

5 Разработка технологий балансировки колес легковых автомобилей в целом с учетом операции «оптимизация»

6 Оценка улучшения эксплуатационных свойств автомобиля в результате нововведения

7 Определение экономического эффекта от внедрения предлагаемого метода улучшения качества балансировки колес легковых автомобилей.

Методы исследований основываются

- на теоретических положениях описания дисбалансных параметров вибрации для толстых составных вращающихся дисков;

- методах постановки и решения краевых задач по оптимизации полученных параметров остаточного дисбаланса

Правильность проделанных математических выкладок доказывается проверкой результатов моделирования реального процесса «оптимизации» взаимного положения шины и диска по параметрам остаточного динамического дисбаланса

При этом использовались методы определения минимального объема выборки экспериментов и современные методы обработки статистической информации

При обработке результатов экспериментов по износу шин в зависимости от пробега и уровня улучшения качества балансировки легковых колес производилась рандомизация внешних факторов проведения экспериментов и выбор рациональных промежутков пробега в момент контролирования износа протектора шины

Научную новизну работы составляют

- метод балансировки колес легковых автомобилей с выполнением операции «оптимизация» шины относительно диска колеса по параметрам остаточного дисбаланса, снятых с балансировочного станка,

- алгоритм расчета параметров оптимального взаимного положения шины относительно диска колеса,

- программы, реализующие данную «оптимизацию», и счетный прибор, входящий в состав оборудования по балансировке колес легковых автомобилей !

Практическая ценность работы заключается в получении комплекса средств (метода), позволяющего разработать технологию балансировки колес легковых автомобилей, максимально удовлетворяющую требованиям ГОСТа 4754-97 и минимально выбраковывающую колеса Предлагается ¡использова-

ние счетного прибора по определению параметров «оптимизации» положения шины относительно диска

Реализация работы Результаты теоретических исследований были внедрены на ряде станций технического обслуживания легковых автомобилей в городе Шахты, что подтверждается актами внедрения

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции в ЮРГТУ (Новочеркасск - 21-24 ноября 2002 г.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ЮРГУЭС (Шахты, Волгодонск, 2002-2007 г), на расширенном заседании кафедры ACO и БД ЮРГУЭС, на заседании ученых специалистов Ростовского высшего ракетного училища имени М И Неделина (Ростов-на-Дону, июнь 2004 г )

Публикации Основные результаты исследований изложены в 10 опубликованных научных работах, включая и монографию Из них одна статья - в издании, включенном в перечень ВАК

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений Общий объем составляет 264 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 74 наименований, в том числе 5 иностранных авторов

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются в общем виде цель исследования и задачи, решение которых позволяет достичь эту цель Излагаются научная новизна полученных результатов и их практическая ценность, а также методика проведения исследований и результаты статистического анализа выбракованных колес

В первой главе дается анализ современного состояния изучаемой проблемы, рассматриваются основные факторы, влияющие на вибрацию автомо-

!

бильных колес, и основные уравнения, зависимости для описания динамического дисбаланса толстых дисков и, в частности, автомобильных колес

Решением задач по динамической балансировке толстых дисков занимались В. А Щепетильников, М М Исаакович, Б X Перчанок

Исследованием факторов, влияющих на остаточный дисбаланс колес легковых автомобилей, занимались московские ученые М Ковригин, Р Сол-датов

Американские ученые разработали балансировочный станок «Хантер», позволяющий производить операцию «оптимизация» геометрического взаимного положения шины относительно диска автомобильного колеса в статике Как показали патентные исследования, балансировочного станка, производящего операцию «оптимизация» в динамике, до настоящего времени нет Сама же проблема «оптимизации» диктуется требованиями исизни, ГОСТов, а также поднимается в периодической печати практиками, специалистами в области балансировочной техники по балансировке колес легковых автомобилей

В первой главе описывается идея метода «оптимизации взаимного расположения шины относительно диска автомобильного колеса» В конце главы уточняется цель работы и подробно перечисляются задачи исследований

Вторая глава посвящена разработке математической модели «оптимизации» положения шины относительно диска колеса 1

На рисунке 1 приведено схематично автомобильное колесо, состоящее

I

из диска и шины |

Дисбалансы колеса в сборе в соответствующих плоскостях коррекции

1

выражаются комплексными числами

где тк1, тк2 - дисбалансная масса в соответствующей плоскости коррекции,

тк1 =тк,(сов ц/к1+тп у/к!), тК2=--тК2(сох ук2+ ши ц/к2),

(1) (2)

Ч'к/, _ угол, определяющий место крепления дисбалансной массы в соответствующей плоскости коррекции; /'- мнимая единица.

Из выражений (]), (2) следует вывод о возможности разбиения дисбаланса колеса на дисбаланс диска и дисбаланс шины:

тк2= тд2+ тш2,

тК1= т,),+ ти,г,

(3)

(4)

где

тс,1 =тд,(со5 Щ!+ми у/а,)\ ™д2=тд2(соз ц/д2 + 'шп щ2)\ тш,=ти,1{со5 (/,,,;);

тш2=тш2(со$ ц>ш2+ш» Уш2)-

(5)

(6)

(7)

(8)

з

У

исходное положение

положение шины при повороте ее на угол ^ против часовой стрелки

и шине, 4 - метка на шине; у - угол поворота

1 - диск,

2 - шика,

3 - метка на лиске

шины

Рис. 1

I 1

2 1

В уравнениях (3), (4) четыре неизвестных тд1, тШ1, т02, тш2, следовательно, для их определения необходимо еще два уравнения в комплексном виде

Из выражений для тг)1, ттЬ т„2, тш2 определяются восемь скалярных параметров, характеризующих дисбаланс диска и шины в соответствующих плоскостях коррекции

Дисбаланс колеса в сборе при повороте шины на угол «г» определяется из выражений

Согласно справочным данным в математической литературе умножение комплексного числа на е'гипи созу+ншу означает его поворот на угол «г»

Уравнения (10) и (11) в совокупности с уравнениями (3), (4) позволяют определить четыре комплексных неизвестных ты, тш1, т¿2, тш2 из системы четырех комплексных уравнений

Если известны комплексные числа тК], тк2, тк1, тк2 и угол «у» из показаний балансировочного станка, то можно определить неизвестные

тд,, тш!, тд2, тш2

ты, ты, Щи, уьь тшЬ тш2, у/ш1, у/ш2

(9)

тК1= ты+ тиа (созу+тпу), тк2= тд2+ тш2 {соэу+шпу)

(10) (П)

тк,= тд]+ тш1,

тк2= тд2+ тш2,

тк/= ты+ тш/ (созу+тпу),

тк2= тд2+ тш2 (созу+иту)

(12)

т

т , — т , К1 К1

(13)

ш1 с<му-н.«иу-1'

т

т ~ - т ~ _ к2 к2

(И)

тд2= ткГ тш2

тй1= тк,- тш,

(15)

(16)

Далее из выражений (13)—(16) можно однозначно определить параметры (9)

Введен далее в рассмотрение текущий угол поворота «0» шины относительно диска В таком случае текущий дисбаланс колеса в сборе в зависимости от угла «9» при известных значениях m¿¡, т„2, тш!, тш2 определить по формулам

= + ,(cos0 + ;sin©), Wí2(0) = Щг + тшг(с°s® + »sin©)

Представим правые части выражений (17) в тригонометрическом виде

Г тк1 (©) = тп (©)jcos Гн (0) +1 srn Укх (©)} j

\ Щ.2 (®) = тп (0)[cos уга (©) + »sin у/к2 (0)1

где mKi(6), тк2(0) - значения дисбалансных масс в зависимости от угла «8» в соответствующих плоскостях коррекции,

Ук2(@) - углы, характеризующие места крепления дисбалансных масс - функции угла «0»

Далее, считая известными значения дисбалансных масс как функции угла «0»

тК1=тК!(в), тк2=тк2(в),

сформируем целевую функцию из условий оптимизации взаимного положения шины относительно диска.

Для выбора целевой функции, максимально удовлетворяющей требованиям ГОСТа 4754-97, необходимо выполнение двух условий

Щи) = mKi + тк2=> min, (19)

Цг(и)=|тк1 -тк2|=> т1П (20)

Условие (19) очевидно, условие (20) выражает требование ГОСТа и заключается в том, чтобы массы корректирующих грузиков были бы наиболее близки друг к другу

i i

Эти условия не противоречат друг другу, их обоснованность подтверждается аналитически и практическим путем проведения экспериментов. Выполнение условий (19), (20) эквивалентно выполнению

Ц(и) = тк12 + тК22=> тт. (21)

Для поиска минимума целевой функции (21) был разработан аналитический метод, а для выяснения характера изменения целевой функции Ц(в) при изменении угла «6» в пределах от нуля до 360 градусов был разработан численный метод.

Вид функции Ц(в) представлен на графике (рис. 2).

аЦ(0)

Ц(в,)

0 90 6», 180 вг 270 360 в

Рис. 2. График поведения целевой функции

Из графика видно, что Ц(в) суть гармоническая функция, имеющая один минимум и один максимум. Очевидно, значение угла поворота шины относительно диска в1=в'пт и будет искомым.

Математические исследования показали возможность нахождения значения «б"""» аналитическим способом. Для этого была определена производная и решено уравнение

ад=0

с10

Доказано, что уравнение (22) имеет вид:

¡8в=т.

Решение этого уравнения дает два значения в1, в2 (рис. 2).

Выбрав то из них, которое доставляет минимум функции лим угол оптимального взаимного положения шины относительно диска.

(22)

(23) опреде-

По алгоритму определения угла «втт» была разработана программа для расчета на ЭВМ. После отладки она была «зашита» в вычислительный прибор для определения параметров взаимного оптимального положения шины относительно диска, при этом расчетом определялось одно из двух возложенных положений шины относительно диска и оптимальный угол поворота шины относительно диска.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование процесса поиска оптимального угла при динамической балансировке колеса. Разработана технология оптимальной балансировки, проведен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных, доказана адекватность процесса. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений дисба-лансных масс приведен на рис. 3.

у • 7Е-08х' - 5Е-05хэ ♦ 0,0098хг - 0,276х * 101.91 у = 9Е-08Х* - 7Е-05х' ♦ 0.0132хг ■ 0.4548Х Я'«0.9925 = 0.9813

♦ расчет

—эксперимент

Полиномиальный (эксперимент)

Полиномиальный (расчет)

Рис. 3. Статистическая обработка расчетных и экспериментальных значений дисбалансных масс для <3=0

Здесь же дано описание метода разработки счетного прибора, входящего в состав оборудования для динамической балансировки колес легковых автомобилей, и инструкция по работе с прибором. На рис. 4 показан внешний вид прибора.

Рис. 4

Информация, снимаемая с показаний балансировочного станка, вводится дискретно порциями:

гпк!, тк2, У»/. - параметры дисбаланса колеса в сборе; у - угол поворота шины относительно диска; тк\, тк2, уК!, ц/к2 - параметры дисбаланса колеса в сборе после поворота шины на угол - у.

Прибор выдает следующую информацию: признак р=0, / (выбор одного из двух положений шины относительно диска);

р- угол поворота шины до оптимального относительно диска. Словами на диске прибора указывается направление угла «¡3» - по часовой стрелке или против. Программа, по которой прибор считает угол «0», предусматривает учет угла предварительного поворота шины «у» и определяет минимальный по величине угол «/3». Программа базируется на определении угла «&"""», полученного аналитическим путем.

В четвертой главе диссертационной работы описывается технология выполнения работ по балансировке колес легковых автомобилей с операцией «оптимизация» положения шины относительно диска колеса.

Схема технологического процесса балансировки колес легкового автомобиля с нововведением приведена на рис. 5.

1 - балансировочный станок; 2 — компрессор; 3 - счетный прибор;

4 - стенд для сборки и разборки автомобильного колеса;

5 - приспособление для измерения углов крепления дисбалансных масс;

6 - прибор для измерения углов поворота шины относительно диска;

7 - автомобильное колесо Рис. 5

Балансировку автомобильного колеса с выполнением операции «оптимизация диска и шины» необходимо выполнить в следующей последовательности:

1 - накачать шину до давления, оговоренного нормативной документацией на эксплуатацию;

2 - нанести краской общую метку в радиальном направлении на диске и шине;

3 - установить колесо на балансировочный станок;

4 - снять показания параметров балансировки с балансировочного станка, используя угломер - 5;

5 - ввести информацию в прибор - 3;

6 - снять колесо с балансировочного станка;

7 - частично демонтировать колесо (отделить шину от диска);

8 - повернуть шину на угол «у» (90°) против часовой стрелки относительно диска;

9 - накачать шину до рабочего давления;

10 - установить колесо в сборе на балансировочный станок,

11 - снять показания параметров балансировки с балансировочного станка, используя угломер - 5,

12 - ввести информацию в прибор - 3,

13 - нажать кнопку прибора «3» на счет и снять показания с прибора,

14 - демонтировать шину и установить положение шины относительно диска согласно полученным с прибора параметрам «геометрической оптимизации»,

15 - накачать шину до рабочего давления,

16 - установить автомобильное колесо на балансировочный станок и произвести балансировку колеса

Для доказательства адекватности модели реальному процессу производились следующие эксперименты

Реальный процесс определения оптимальных параметров положения шины относительно диска заключался в следующем

На шине автомобильного колеса и его диске с обеих сторон мелом с шагом в десять угловых градусов наносились метки, и поворотом шины относительно диска снимались показания дисбалансных масс с балансировочного станка Далее обработкой информации определяли минимум целевой функции Ц(в) и определяли оптимальный угол (реальный), доставляющий минимум этой функции - «д'птр»

Далее для того же колеса, отсчитывая угол от общей метки на шине и диске, определяется оптимальный угол по технологии на рис 4 - «в"тм» (по математической модели)

В пятой главе дано экономическое обоснование предлагаемого нововведения

В конце работы приведен список литературы, приложения |

!

Общие выводы и рекомендации

1 Актуальность работы подтверждается улучшением качества балансировки колес легковых автомобилей и как следствие

- увеличением ресурса автомобиля, I

- улучшением эксплуатационных свойств,

- понижением уровня вероятности ДТП

Работа актуальна, так как фактор геометрической оптимизации положения шины колеса относительно диска колеса в динамике не оптимизировался Это подтверждается результатами патентного и печатного поиска новейших достижений в этой области балансировки колес легковых автомобилей В этой оптимизации и заключается цель работы

2 Предлагаемый метод улучшения качества балансировки путем геометрической оптимизации шины колеса относительно диска колеса легкового автомобиля не зависит от метода балансировки, на котором основывается балансировочный станок, а зависит лишь от точности параметров балансировки

3 Метод основывается на допущении, используемом в широкой литературе по вопросам балансировки - положения о том, что дисбаланс широкого ротора описывается в обеих плоскостях коррекции комплексными числами, модуль у которых - масса груза, который необходимо закрепить на ободе колеса, а угол комплексного числа определяет место крепления этого груза Это положение позволяет рассматривать математически дисбаланс колеса и дисбаланс шины.

4 На основании экспериментальных данных, снятых с балансировочного станка при прокручивании колеса в сборе, и выводов пункта «3» настоящего раздела можно построить модуль разделения дисбаланса колеса легкового автомобиля на дисбалансы шины и диска и далее построить модуль дисбаланса колеса при повороте шины относительно диска и установить наблюдения за целевой функцией оптимизации

Ц(и) = тК1(и) + тк2(и)-» тт, где тК1(и), шк2(и) - массы, корректирующие дисбаланс колеса в зависимости от угла поворота «и» в плоскостях коррекции 1-1 и 2-2

5 Математическим моделированием, а далее и экспериментально установлено, что функция Ц(и) - суть гармоническая, имеющая по два локальных

минимума с каждой стороны шины, относительно неподвижного диска Следовательно, для определения глобального минимума функции Ц(и) необходимо выбрать минимальное значение функции из четырех локальных минимумов

6 Математическое моделирование показывает, что для поиска оптимального угла «иопт» лучше использовать численный метод Этот метод предполагает использование расчетного прибора и двух последовательных программ Практика показывает, что сам счет составляет приблизительно десять секунд

7 Справедлив расчет количества выборки колес, которые должны участвовать в эксперименте, по предварительной выборке в пять колес и снятия предварительных статических данных Эта выборка не должна быть менее 1 1

8 Сравнение результатов экспериментов с результатами счета при общих начальных данных показывает достаточно высокую степень адекватности модели и эксперимента Расхождение по углу оптимизации не превосходит 9%

9 Метод технологичен, подтверждается актом внедрения

I

10 Метод оптимизации колеса доступен для понимания студентами и внедрен в программу учебного процесса по дисциплине «Основы работоспособности технических систем»

11 Метод может отлаживаться, улучшаться и имеет дальнейшее развитие и усовершенствование На данном же этапе цель работы достигнута, все поставленные задачи для достижения цели решены ,

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1 Горин С Л Минимизация объема вычислений в решении задачи поворота шины относительно диска колеса легкового автомобиля на угол, оптимизирующий остаточный динамический дисбаланс колеса / С Л Горин, В Н Коханенко // Экология, технология и оборудование Межвузовский

сборник научных трудов - Ростов-на-Дону Издательский Дом ДГТУ, 2001 -С 128-130

2 Горин С Л Смешанные методы определения оптимального угла поворота шины относительно диска для уменьшения дисбаланса колеса легкового автомобиля / С Л Горин, В Н Коханенко // Экология, технология и оборудование Межвузовский сборник научных трудов - Ростов-на-Дону Издательский Дом ДГТУ, 2001 -С 130-133

3 Горин С Л Аналитическое исследование функции для определения оптимального угла поворота шины относительно диска колеса легкового автомобиля / С Л Горин, В Н Коханенко // Экология, технология и оборудование Межвузовский сборник научных трудов - Ростов-на-Дону- Издательский Дом ДГТУ, 2001 -С 134-137

4 Горин С.Л Оптимизация колес легковых автомобилей в авторемонтных мастерских / С Л Горин, В Н Коханенко, А Г Курьянов // Информационные технологии в науке и образовании Сборник научных трудов / Под ред ПД Кравченко/ ЮРГУЭС -Шахты ЮРГУЭС, 2001 -С. 156-160

5 Горин С Л Определение размера выборки эксперимента и проверка адекватности модели эксперименту в процессе оптимизации колес легковых автомобилей в авторемонтных мастерских / С Л Горин // Информационные технологии в науке и образовании. Сборник научных трудов / Под ред П Д Кравченко / ЮРГУЭС - Шахты ЮРГУЭС, 2002. - С 227-228

6 Горин С Л Математическое моделирование процесса поиска оптимального угла поворота шины автомобильного колеса относительно его диска по величине остаточного дисбаланса колеса в сборе / С Л Горин, В Н Коханенко // Экология, технология и оборудование. Межвузовский сборник научных трудов /Донской государственный технический университет; Под ред. АН Дровникова - Ростов-на-Дону ДГТУ,2003 -Ч II - С 118-121

7 Горин С Л Балансировка автомобильных колес (монография) / ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса, В Н Коханенко, Б Ю Калмыков, С Л Горин, под ред В.Н Коханенко - Шахты Издательство ЮРГУЭС, 2004 - 96 с

8 Горин С Л, Чефранов О В Улучшение качества балансировки колес легковых автомобилей /Авто Транспортное Предприятие Отраслевой научно-производственный журнал «Автотранспортное предприятие» Издатель-НПП «Транснавигация», Минтранс России - Москва, 2005 -С 38-39

9 Горин С Л , Сапронов Ю Г О методе балансировки колес легковых автомобилей с использованием операции «геометрическая оптимизация» / Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий сервиса и машиностроения1 Юбилейный международный сборник научных трудов//ЮРГУЭС -Шахты, 2007 - С 93

10 Горин СЛ, Сапронов ЮГ Разработка прибора для расчета оптимальных параметров геометрического положения шины относительно диска колеса / Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий сервиса и машиностроения Юбилейный международный сборник научных трудов//ЮРГУЭС - Шахты, 2007 - С 94-96

ИД № 06457 от 19 12 01 г Издательство ЮРГУЭС Подписано в печать 08 10 2007 г Формат бумаги 60x80/16 Уел п л 1,0 Тираж 100 экз Заказ № 388

ПЛД № 65- 175 от 05 11 99 г Типография Издательства ЮРГУЭС 346500, г Шахты, Ростовская обл , ул Шевченко, 147

Введение.

1. Анализ современного состояния вопроса.

1.1.1 Дисбаланс и биение колесного угла.

1.1.2 Факторы, влияющие на дисбаланс колесного узла.

1.1.3 Влияние дисбаланса и биения колес на работу автомобиля.

1.2 Статистический анализ результатов экспериментальных исследований.

1.2.1 Методика проведения исследований и состав опытов.

1.2.2 Анализ результатов измерений корректирующих масс для левой плоскости коррекции колес с диаметром диска R13.

1.2.3 Анализ результатов измерений корректирующих масс для правой плоскости коррекции колес с диаметром диска R13.

1.2.4 Исследование регрессионной зависимости между результатами измерений в левой и правой плоскостях коррекции колес R13.

1.2.5 Анализ результатов измерений корректирующих масс колес с диаметром диска R14.

1.2.6 Анализ результатов измерений корректирующих масс колес с диаметром диска R15.

1.2.7 Определение доли выбракованных колес по результатам статистического анализа.

1.3 Цель и задачи исследований.

2. Математическая модель оптимизации балансировки колес легковых автомобилей.

2.1 Основная идея метода и выбор модели.

2.1.1 Математическая основа модели.

2.1.2 Обзор принципов измерения вибраций.

2.2 Разработка алгоритма оптимизации при балансировке колес.

2.3 Уточненный алгоритм поиска угла, оптимизирующего остаточный динамический дисбаланс колеса.

2.4. Разработка рабочих программ для определения оптимального угла поворота шины относительно диска колеса.

2.5. Разработка алгоритма оптимизации при балансировке колес изменением угла поворота шины (вариант II).

2.6. Выводы по главе.

3. Экспериментальное исследование процесса поиска оптимального угла при динамической балансировке колеса.

3.1 Цели экспериментального исследования.

3.2. Оборудование для проведения испытаний.

3.2.1 Описание балансировочного станка.

3.2.2 Описание транспортира.

3.3 Описание технологии оптимальной балансировки колеса легкового автомобиля.

3.4. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных (доказательство адекватности процесса).

3.5. Описание счетного прибора для определения оптимального положения шины относительно диска колеса.

3.6 Статистический анализ результатов экспериментальных исследований.

3.6.1 Анализ результатов измерений корректирующих масс для левой плоскости коррекции колес с диаметром диска R13 после проведения операции «оптимизация» с использованием счетного прибора.

3.6.2 Исследование регрессионной зависимости между результатами измерений в левой и правой плоскостях коррекции колес R13 после проведения операции «оптимизация».

Анализ результатов измерений корректирующих масс колес R14 после проведения операции «оптимизация»

3.6.4 Анализ результатов измерений корректирующих масс колес R15 после проведения операции «оптимизация».

3.6.5 Определение доли выбракованных и балансируемых колес после проведения операции «оптимизация» по результатам статистического анализа.

4. Методика проведения работ по оптимизированной балансировке колес.

5. Определение экономической эффективности от внедрения результатов исследования.

Общие результаты и выводы.

Актуальность проблемы. В наиболее массовых - уличных шиноремонтных мастерских процесс уменьшения вибрации автомобильных колес должен происходить с выполнением операции «оптимизация» колеса в сборе. Оптимизация - это выбор такого положения шины на диске, когда параметры вибрации в этом положении наименьшие по сравнению с другими положениями. Без проведения операции «оптимизация» балансировка колес легковых автомобилей будет некачественной, и даже при хороших показаниях величин дисбалансных масс в реальности остаточный дисбаланс колеса может значительно превышать эти показания. А от качества балансировки колес автомобилей зависят в первую очередь ресурс работоспособного автомобиля и его эксплуатационные свойства, в частности, влияющие на безопасность движения автомобиля и экологическое состояние окружающей среды. «Оптимизация» колес легковых автомобилей вообще не производится в наиболее массовых шиноремонтных мастерских, так как они не могут приобрести дорогие балансировочные станки, способные выполнять эту операцию. Эта известная проблема была остро поставлена в периодической печати, посвященной вопросам улучшения эксплуатационных свойств автомобильного транспорта.

Таким образом, обозначилась актуальная проблема: как с минимальными дополнительными затратами сделать возможным проведение операции «оптимизация» в наиболее массовых шиноремонтных мастерских.

Настоящая работа была выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ двух кафедр Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (ЮРГУЭС): «Вычислительная техника (ВТ)» и «Автомобильный сервис, организация и безопасность движения (АСО и БД)».

Тема утверждена в отделе аспирантуры ЮРГУЭС и выполнена аспирантом под руководством профессора каф. «АСО и БД».

Научная новизна. Построена математическая модель процесса геометрической оптимизации шины относительно диска автомобильного колеса, позволяющая определить параметры оптимизации путем обработки информации, снятой с балансировочного станка, о характеристиках остаточного дисбаланса колеса в сборе и диска в отдельности.

Сконструирована система, позволяющая на базе этой модели проводить «оптимизацию» колес легковых автомобилей в наиболее массовых шиноремонтных мастерских на базе имеющихся специализированных балансировочных станков (не выполняющих самостоятельно операцию «оптимизация»).

Доказана адекватность математической модели «оптимизация» реальному процессу геометрической подгонки диска и шины колеса легкового автомобиля по параметрам остаточного дисбаланса.

Практическая ценность. Получен метод, позволяющий проводить операцию «оптимизация» колес легкового автомобиля в шиноремонтных мастерских, оснащенных обычными балансировочными станками и персональными компьютерами. Стоимость такой системы в 25-30 раз меньше, чем стоимость универсальных балансировочных станков, позволяющих проводить операцию «оптимизация» самостоятельно. Результаты исследований внедрены в производство на предприятиях города Шахты, и ведется внедрение в других городах Ростовской области. Экономический эффект от внедрения данной системы более качественной балансировки колес легковых автомобилей заключается в увеличении (на 10-15%) ресурса работы автомобиля, улучшении эксплуатационных свойств автомобиля (наносится меньший вред здоровью водителя и пассажира благодаря повышению эксплуатационной безопасности автомобилей, и вследствие этого уменьшается число ДТП).

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проблема улучшения качества балансировки колес легковых автомобилей, изложенная в настоящей работе, весьма актуальна. Ее кардинальное решение позволит:

- увеличить ресурс автомобиля;

- улучшить его эксплуатационные качества;

- снизить уровень вероятности ДТП.

Достижению этого будет способствовать внедрение фактора оптимизации положения шины колеса относительно диска в динамике.

2. Предлагаемый метод улучшения качества балансировки путем оптимизации шины колеса относительно диска колеса легкового автомобиля не зависит от метода балансировки на котором основывается балансировочный станок, а зависит лишь от точности параметров балансировки.

3. Метод основывается на допущении, используемом в широкой литературе по вопросам балансировки, что дисбаланс широкого ротора описывается в обеих плоскостях коррекции комплексными числами, модуль у которых масса груза, который необходимо закрепить на ободе колеса, а угол комплексного числа определяет место крепления этого груза. Это положение позволяет рассматривать математически дисбаланс колеса и дисбаланс шины.

4. По экспериментальным данным, снятым с балансировочного станка при прокручивании колеса в сборе и выводом из пункта «3» настоящих выводов можно построить модуль разделения дисбаланса колеса легкового автомобиля на дисбалансы шины и диска, далее построить модуль дисбаланса колеса при повороте шины относительно диска и установить наблюдения за целевой функцией оптимизации:

Ц(9) = шк1(0) + 1X1x2(9)—►min, где mKi(0), Шк2(0) - массы корректирующие дисбаланс колеса в зависимости от угла поворота «9» в плоскостях коррекции 1-1 и 2-2.

5. Математическим моделированием, а затем и экспериментально установлено, что функция Ц(0) - суть гармоническая, имеющая по два локальных минимума с каждой стороны шины, относительно неподвижного диска. Следовательно, для определения глобального минимума функции Ц(0) необходимо выбрать минимальное значение функции из четырех локальных минимумов.

6. Математическое моделирование показывает, что для поиска оптимального угла «0ОПТ» лучше использовать численный метод. Этот метод предполагает использование «ПК» и двух последовательных программ. Практика показывает, что сам счет на «ПК» составляет приблизительно десяток секунд.

7. Справедлив расчет количества выборки колес, которые должны участвовать в эксперименте, по предварительной выборке в пять колес и снятия предварительных статических данных. Эта выборка не должна быть менее 1.1.

8. Сравнение результатов экспериментов с результатами счета при общих начальных данных показывает достаточно высокую степень адекватности модели и эксперимента. Расхождения по углу оптимизации не превышают 9%.

10. Метод геометрической оптимизации колеса доступен, рассчитан на понимание студентами и внедрен в программу учебного процесса по дисциплине «Основы работоспособности технических систем».

11. Метод может отлаживаться, улучшаться и имеет дальнейшее развитие и усовершенствование. На данном же этапе цель работы достигнута, все поставленные задачи для достижения цели решены.

1. Кнороз В.И. Работа автомобильной шины / Кнороз В.И., Кленников Е.В., Петров И.П., Шелухин А.С., Юрьев Ю.М. «Транспорт», 1976. -238 с.

2. Третьяков О.Б. Трение и износ шин / Третьяков О.Б., Гудков В.А., Тарновский В.Н., М.: Химия, 1992. - 176 с.

3. Кленников Е.В., Шины легковых автомобилей / Е.В. Кленников. М.: Транспорт, 1979 . - 48 с.

4. Березный О.В. Балансировка роторов в собственных корпусах при непостоянстве их частоты вращения: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук : 05.02.02 / Мое. гос. ун-т путей сообщ. М., 1998. - 24 с. -Библиогр.: с. 23-24.

5. Смирнов В.А. Алгоритмы цифровой обработки информации при балансировке неравномерно вращающегося ротора: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.13.14 / Юж.-Урал. гос. ун-т. Челябинск, 2000. - 23 с. - Библиогр.: с. 23.

6. Кошарный Н.Н. Совершенствование методики диагностирования управляющего колесного модуля автомобиля: Автореф. дис. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук : 05.22.10 / Укр. трансп. ун-т. Киев, 1995. - 19 с. -Библиогр.: с. 18.

7. Gengenbach W. Experimentelle Untersuchung uber das Aufschwinmen von Kraftfahrzeugreifen auf Nasser Fahrbahn // Automobil Industrie - 1968. №10

8. Gengenbach W. Weber R. Der Einfluss des Fahrbahnbelages, der Geschwindigkeit und der Profilteile von Reifen auf den Kraftschluss bei Nasse // Automobil Industrie/ - 1970. №4

9. Нестеренко В.П. Теория и практика устройств автоматической балансировки роторов: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, д.т.н.: (05.02.18) / Новосиб.электротехн. ин-т.- Новосибирск, 1990.- 34с.

10. Allbert В., Walker I.C. Tire to wet Road Friction at Hign Speeds // A.D. Proc. Inst. Mech. Engrs. 1980. №6

11. Gough V.E., Badger D.W. Tyres and road safety/ L., 1966/

12. Grosh K.A. Oil extended NR // Rabber Age. 1967. №10

13. Гамма автоматических балансировочных машин: В сб.: «Теория и практика балансировочной техники» / Л. 3. Вартанян, А. X. Григорян, С. Г. Кандаян и др.; М.: «Машиностроение», 1973.435 с.

14. Захаров В.А. Автоматизация балансировочных работ / В. А. Захаров. В сб.: «Теория и конструкция балансировочных машин». - М.: Машгиз, 1963.-405 с.

15. Ковалев М.П. Динамическое и статическое уравновешивание гироскопических устройств./ С. П. Моржаков, К. С. Терехова. М.: «Машиностроение», 1977. с.

16. Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин / С. Н. Кожевников. -М.: «Машиностроение», 1969. 556 с.

17. Козлянинов Т. П. Исследование конструктивных особенностей балансировочной машины с двумя неподвижными опорами / Т. П.

18. Козлянинов. Сб.: «Теория и конструкция балансировочных машин». М.: Машгиз, 1963. 72 с.

19. Левит М. Е. Вибрация н уравновешивание роторов авиадвигателей / М. Е. Левит, М. Е. Ройзман. М.: «Машиностроение», 1970. - 172 с.

20. Петров Г. Н. Балансировочные машины без жестких связей оси ротора с неподвижным основанием Г. Н. Петров, В. А. Суетин, А. П. Устинов. - Труды МВТУ. «Теория механизмов». Вып. 6. - М.: 1973. - 76 с.

21. Самсаев Ю. А. Измерение фазы сигнала от дисбаланса при наличии помех / Ю. А Самсаев. В сб.: «Теория и практика балансировочной техники». М.: «Машиностроение», 1973. с.

22. Самсаев Ю. А. Автоматические устройства к балансировочным станкам / Ю. А. Самсаев, П. Н. Феоктистов, Ю. В. Трунаев. «Механизация и автоматизация производства», 1972. № 5, 20 с.

23. Соколов П. К. Балансировочные машины для динамического уравновешивания жестких роторов / П. К. Соколов. В сб.: «Теория и практика балансировочной техники». М.: «Машиностроение», 1973. - 417 с.

24. Щепетильников В. А. Современное состояние балансировочной техники / В. А. Щепетильников. В сб.: «Уравновешивание машин и приборов». - М.: «Машиностроение», 1965. - 7 с.

25. Щепетильников В. А. Общие вопросы балансировки вращающихся масс в учебном курсе теории механизмов и машин / В. А. Щепетильников. -В сб.: научно-методических статей по «Теории механизмов и машин». Вып. 3. М., «Высшая школа», 1973. 56 с.

26. Щепетильников В. А. Балансировочные машины пятого класса типа Б / В. А. Щепетильников. Труды МИИТ. Вып. № 97, 1958. - 50 с.

27. Теория и практика уравновешивания машин и приборов / Под ред. проф. В. А. Щепетильникова. М., «Машиностроение», 1970. - 440 с.

28. Теория и практика балансировочной техники / Под ред. проф. В. А. Щепетильникова. М. «Машиностроение», 1973. - 456 с.

29. Мячин В. Е. Элементы теории и метод определения динамической неуравновешенности роторов / В. Е. Мячин. Известия вузов, «Машиностроение», № 2,1962, - 5—13 с.

30. Ковалев М.П. Динамическое и статическое уравновешивание гироскопических устройств / М. П. Ковалев. М.: «Машиностроение», 1974.- 252 с.

31. Уравновешивание вращающихся тел лучом лазера / В. М. Суминов. и др.: М: «Машиностроение», 1974. - 176 с.

32. Исследование точности уравновешивания роторов лучом оптического квантового генератора / В. М. Суминов и др.: Сб. науч. Трудов / «Теория и практика балансировочной техники» / Под ред. В. А. Щепетильникова. М.: «Машиностроение», 1973. - 456 с.

33. Суминов В. М. Устройство для автоматической балансировки роторов / В. М. Суминов, М. М. Гольдберг, П. Н. Баранов. Авторское свидетельство № 415531 от 23.2.71. - Бюллетень изобретений, 1974, №6.

34. Левит М. Е. Повышение эффективности балансировки роторов: В сб. / «Колебания и балансировка роторных систем». М.Е. Левит, А.И. Максименко; Под ред. канд. техн, наук А. А. Гусарова. М.: «Наука», 1974.- 69—76 с.

35. Левит М. Е. Вибрация и уравновешивание роторов авиадвигателей / М.Е. Левит, М. Ройзман «Машиностроение», 1970. - 172 с.

36. Шубин А. А. Рациональные режимы работы балансировочных машин с подвижными опорами для точного уравновешивания роторов / А.А. Шубин . В сб. / «Теория и конструкция балансировочных машин» / Под ред. проф. В. А. Щепетильникова. М: Машгиз, 1963, - 51—71 с.

37. Мадатов В. Р. Автоматическая балансировка электрических машин электротехническим воздействием на вращающийся ротор: Дис. .канд. техн. наук: / В.Р. Мадатов . Ереван, 1973. - 160 с.

38. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника / В.И. Тихонов. М.: «Советское радио», I960. - 678 с.

39. Васильев А. Я О классификации роторов для их уравновешивания / В сб. / «Теория и практика балансировочной техники»; Под ред. В. А. Щепетильннкова. М: «Машиностроение», 1973. 193—201 с.

40. Хронин Д. В. Теория и расчет колебаний в двигателях летательных аппаратов Д.В, Хронин. М: «Машиностроение», 1970. 335—342 с.

41. Основы балансировочной техники: Т.1: Уравновешивание жестких роторов и механизмов / Под. ред. В.А. Щепетильннкова. М.: Машиностроение, 1975. -528 с.

42. Основы балансировочной техники: Т.2: Уравновешивание гибких роторов и балансировочное оборудование / Под. ред. В.А Щепетильннкова. -М.: Машиностроение, 1975. 679 с.

43. Балансировочно измерительный прибор БИП-7. Техническое описание и инструкция по эксплуатации П 624 ТО/ Министерство энергетики и электрификации СССР. Главэнергоремонт. ЦКБ. 1979. - 52с.

44. Исаакович М.М. Устранение вибрации электрических машин / М.М. Исаакович , Л.И. Клейман , Б.Х. Перчанок . -J1: Энергия, 1979.- 200 с.

45. Техническая эксплуатация автомобилей: Под ред. д.т.н., профессора Е.С Кузнецова. М: «Транспорт», 1991. -413 с.

46. Аппель П. Теоретическая механика/ П. Аппель. Физматгиз, 1960.

47. Беркулли И. Избранное сочинение по механике / И. Беркулли. -ГТТИ, 1937.

48. Чаплыгин С.А. Избранные труды / Механика жидкости и газа, Математика. Общая механика. «Наука», М.: 1976. - 496 с.

49. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике / Л.И. Седов. изд.7-е, - М.: 1972.

50. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика / Г.Н. Абрамович. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука». М.: 1969. -824 с.

51. Лебедев А.А. Оптимальное управление движением космических летательных аппаратов / А.А.Лебедев, М.Н. Красильщиков, В.В. Малышев. -М.: «Машиностроение», 1974.-200 с.

52. Хапланов М.Г. Теория функций комплексного переменного / М.Г.Хапланов. Издательство Ростовского университета. 1959. 196 с.

53. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М.: 1970. 720 с.

54. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы: Пер. с англ. / Н.В.Леви. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука» М.: 1983. - 174 с.

55. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов / И.Н. Бронштейн , К.А. Семендяев. М.: Наука, 1981.

56. Биргер И.А. Техническая диагностика / И.А. Биргер. М.: «Машиностроение», 1978. - 240 е.: ил. - (Надежность и качество)

57. Павлов Б.В. Акустическая диагностика машин / Б.В. Павлов. М.: Машиностроение, 1966. - 147 с.

58. Попков В.И. Виброапцептическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов / В.И. Попков. Л.: Судостроение, 1974. -218с.

59. Комаров А.А. Надежность гидравлических устройств самолетов / А.А. Комаров. М.: Машиностроение, 1976. 223 с.

60. Кузьмин Р.В. Техническое состояние и надежность судовых механизмов / Р.В. Кузьмин. Л.: Судостроение, 1974. 334 с.

61. Коханенко В.Н. Оптимизация колес легковых автомобилей в авторемонтных мастерских. / В.Н. Коханенко . А.Г. Курьянов , С.Л. Горин . ЮРГУЭС, Сборник трудов университета, 2001.

62. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера / В.П. Сигорский. Издательство « Техника, Киев.: 1975. 766 с.

63. Берштейн А.С. Модели и методы принятия решений в интегрированных интеллектуальных системах / А.С.Берштейн, В.П.Карелин, А.И.Целых. Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского университета, 1999. -278 с.

64. Прохоров Г.В. Пакет символьных вычислений Марве / Г.В. Прохоров , М.А. Леденев, В.В. Колбеев. М.: Компания Петит, 1997. 200 с.

65. Основы балансировочной техники. Том-1. Уравновешивание жестких роторов и механизмов. Под ред. В.А. Щепетильникова. М., Машиностроение, 1975, 528с.

66. Основы балансировочной техники. Том-2. Уравновешивание гибких роторов и балансировочное оборудование. Под ред. В.А Щепетильникова. М., Машиностроение, 1975, 679с.

67. Балансировочно измерительный прибор БИП-7. Техническое описание и инструкция по эксплуатации П 624 ТО/ Министерство энергетики и электрификации СССР.Главэнергоремонт. ЦКБ. 1979. 52с.

68. Техническая эксплуатация автомобилей. Под ред.д.т.н., профессора Е.С Кузнецова. Москва «Транспорт» 1991.-413с.