автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Повышение безопасности автомобилей в условиях эксплуатации на основе анализа характеристик сцепления их шин со льдом

На правах рукописи

ч

КОВРИГИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕПЛЕНИЯ ИХ ШИН СО ЛЬДОМ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

7 АВГ 2014

005551531

Омск - 2014

005551531

Работа выполнена на кафедре «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Официальные оппоненты:

Научный руководитель: Малюгин Павел Николаевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-

дорожная академия (СибАДИ)» Блянкинштейн Игорь Михайлович, доктор технических наук, декан факультета транспорта ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»;

Ляпустин Павел Константинович,

кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Управление на автомобильном транспорте» ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная технологическая академия» ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»

Защита состоится 25 сентября 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 644074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференцзал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» и на сайте http://www.istu.edu/structure/54/4393/.

Автореферат диссертации разослан: 23.07.2014.

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) 40-58-69

Ведущая организация:

Учёный секретарь диссертационного совета

С.Ю. Красноштанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Ежегодно на территории Российской Федерации происходит более двухсот тысяч дорожно-транспортных происшествий (ДТП), в которых гибнет от 30 до 50 тысяч человек. По данным, приведенным в постановлении правительства РФ «О федеральной целевой программе «Повышение безопасности дорожного движения в 2013 - 2020 годах» демографический ущерб от ДТП и их последствий в России за 2004 -2011 годы составил 571 407 человек. Социально-экономический ущерб от аварий на дорогах за те же годы оценивается в 8 188,3 миллиарда рублей. Меры борьбы с аварийностью на автомобильном транспорте предусматривают проведение комплекса мероприятий по улучшению условий движения, повышению квалификации и укреплению дисциплины водителей, совершенствованию конструкций подвижного состава и его технического состояния. Одними из наиболее распространенных на территории нашей страны причин ДТП являются нарушение управляемости и устойчивости автотранспортного средства (АТС) и низкая эффективность торможения в результате потери сцепления шин с дорогой. Согласно официальной статистике, неблагоприятные дорожные условия стали причиной 20 % от общего числа ДТП и являлись сопутствующей причиной ДТП в 70 % случаях. Как правило, такие ДТП происходят на дорогах, покрытых льдом и снегом. Несмотря на это, в настоящее время в нормативных документах, распространяющихся на автомобильные шины, отсутствуют требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием. Для формулирования этих требований необходимо установить величины оценочных параметров сцепления шин с обледенелым дорожным покрытием и разработать соответствующую методику сертификационных испытаний шин.

Особое место среди мер борьбы с аварийностью занимает расследование ДТП, которое требует внедрения в практику новых эффективных методов, позволяющих повышать достоверность проведения экспертизы. Отсутствие общепринятой методики определения сцепных свойств шин на обледенелом покрытии не позволяет определять их коэффициент сцепления с малыми погрешностями, что значительно снижает объективность проведения экспертизы ДТП автомобилей на скользких дорогах. Попытки разработать такую методику наталкиваются на противоречие, связанное с недостаточностью знаний о закономерностях, характеризующих процесс взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом, что говорит о необходимости проведения исследований в этом направлении.

Таким образом, научное исследование, направленное на повышение объективности экспертизы ДТП и совершенствование сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на основе их характеристик сцепления со льдом является не только актуальной, но и социально значимой научно-технической задачей.

Рабочая гипотеза. Безопасность АТС, объективность экспертизы ДТП и качество сертификационных испытаний автомобильных шин можно значительно повысить, если учитывать закономерности, характеризующие процесс взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом.

Цель работы. Повышение безопасности автомобилей в условиях эксплуатации, объективности дорожно-транспортной экспертизы происшествий и совершенствование сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на основе учета закономерностей их сцепления со льдом.

Методы и средства исследования. Метод конечных элементов в исследовании процессов теплообмена в ледяном покрытии бегового барабана стенда; теория планирования эксперимента и математической статистики; численные методы математического анализа; экспериментальные методы исследования характеристик шин в стендовых условиях.

Объект исследования - процесс взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью, покрытой льдом.

Предмет исследования - математические зависимости и графики, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей с опорной поверхностью, покрытой льдом.

Достоверность полученных результатов обеспечена:

• репрезентативностью выборок экспериментальных данных, применением методов статистической обработки результатов, теорией вероятности и математической статистики;

• корректным применением регрессионно-корреляционного анализа, обеспечивающим сходимость результатов расчётных и экспериментальных исследований;

• отсутствием противоречий с результатами ранее проведенных исследований другими учеными.

Научной новизной обладают:

1. Разработанное математическое описание процесса взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью, покрытой льдом, позволяющее моделировать движение автомобилей по обледенелым дорожным покрытиям.

2. Выявленные закономерности, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей со льдом, учитывающие их загруженность и начальную скорость, а также температуру льда.

3. Разработанная методика экспертизы ДТП, позволяющая значительно уточнять расчёты торможения и маневрирования автомобиля на обледенелых дорогах с учетом выявленных закономерностей, характеризующих процесс взаимодействия шин со льдом.

4. Разработанная методика сертификационных испытаний шин легковых автомобилей в стендовых условиях, позволяющая определять их сцепные свойства со льдом с погрешностью измерения коэффициентов

сцепления ±4 %.

Практическая значимость работы. Разработанная на основе характеристик сцепления шин методика и их аналитическое описание могут быть использованы центрами технической экспертизы для расчётов торможения и маневрирования в процессе расследования причин ДТП автомобилей на обледенелых покрытиях. Методика сертификационных испытаний шин может быть использована предприятиями, осуществляющими производство и продажу автомобильных шин при проведении процедуры сертификации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1.Для значительного повышения точности моделирования параметров движения автомобилей по обледенелым дорожным покрытиям математическое описание должно учитывать особенности характеристик бокового увода и продольного проскальзывания шин на льду, а также режимы их взаимодействия с опорной поверхностью.

2. Объективность дорожно-транспортной экспертизы ДТП на льду может быть значительно повышена, если расчёты тормозного пути и установившегося замедления автомобиля на обледенелых дорогах выполнять с учетом корректирующей зависимости и выявленных закономерностей, характеризующих процесс взаимодействия шин со льдом.

3. Для повышения безопасности эксплуатации автомобилей в условиях Российской Федерации нормативные документы должны содержать требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием, а методика сертификационных испытаний шин должна включать стендовые испытания, позволяющие измерять коэффициенты сцепления шин со льдом с погрешностью не более ±4 %.

Апробация работы. Материалы работы были доложены и одобрены на научно-технических конференциях, проходивших в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), г. Омск: на Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» в 2003 г.; на 43-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях крайнего Севера» в 2003 г.; на международной научно-технической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, как основа рационального природопользования» в 2004 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» в 2006 г.; на IV Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, эксплуатация и боевая эффективность, наука и образование» «Броня 2008» в 2008 г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-

транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» в 2009 г. На II Международной научно практической конференции «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта», проходившей в Иркутском государственном техническом университете (ИрГТУ) в 2009 г. На кафедре «Автомобили» Московского государственного технического университета «МАМИ» в 2012 г. Кафедре «Автомобильный транспорт» Иркутского государственного технического университета в 2013 г.

Реализация результатов работы. Разработанная методика испытаний шин внедрена в лаборатории испытаний шин кафедры «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Проведены испытания шин для фирмы «Michelin» (моделейKapnor3,Hakkapeliitta-l, «SevenHills», «Таганка» размером 195/65R15); для ОАО«Кировский шинный завод» (моделей К-205 «Метелица», KN-211 «Nordman» размером 195/65R15); для ЗАО «Матадор-Омскшина» (моделей МР-56, М-261 «Таганка SPEEDWAY», Hakkapeliitta NRW размером 185/70 R14); для ОАО «Омск-шина» (моделей: К-156-1, О-160 размером 185/70 R16).

Методика расчёта тормозного пути и установившегося замедления автомобиля на обледенелых дорогах с учётом его загруженности, начальной скорости и температуры льда рекомендована Экспертно-криминалистическим центром (ЭКЦ) МВД России по Омской области для повышения объективности проведения дорожно-транспортной экспертизы происшествий.

Результаты исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СибАДИ» при подготовке инженеров по специальностям «Организация и безопасность движения» и «Автомобили и автомобильное хозяйство».

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 203 страницах и состоит из введения, четырёх глав (содержат 33 таблицы и 115 иллюстраций), основных выводов, списка литературы (содержит 94 источника) и двух приложений (занимают 14 страниц).

Автор выражает искреннюю благодарность руководителю Малюгину Павлу Николаевичу и профессору Балакину Виталию Дмитриевичу за помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, цель, научная новизна и практическая ценность исследований, основные вопросы, рассмотренные в работе.

В первой главе приведен обзор литературных источников по теме исследования, рассмотрены вопросы экспертизы ДТП автомобилей на скользких дорогах, дан анализ процедуры сертификационных испытаний

шин в Российской Федерации. Представлены результаты работ, посвященных изучению механизма трения резины со льдом и характеристик сцепления шин со льдом следующих авторов: Кнороза В. И., Schallamach А., Moore D. F., Fletcher N. Н., Roberts A. D., Bowden F. P., Ken-ichi Shimizu, Hayhoe G. F., Shapley C. G., Weber R., Gengenbach W.

Отмечено, что сцепление шин с дорожным покрытием в значительной степени определяет длину тормозного пути автомобиля, оказывает большое влияние на его устойчивость и управляемость, поэтому является важнейшим параметром, влияющим на безопасность движения.

Установлено, что в РФ отсутствуют нормативные требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием. В соответствии с ГОСТ Р 51893-2002 «Шины пневматические. Общие технические требования безопасности» и «Регламентом о безопасности колесных транспортных средств» применяются Правила ЕЭК ООН № 117, устанавливающие требования к сцеплению шин с мокрым покрытием. В тоже время, коэффициент сцепления шин с обледенелым дорожным покрытием в 3-*-5 раз меньше, чем с мокрым, что делает движение по обледенелым дорогам наиболее опасным. Поэтому необходимо проведение исследований для решения вопроса о внесении в стандарты требований к величине коэффициента сцепления шин с обледенелым дорожным покрытием. Для проведения сертификационных испытаний необходима методика, предполагающая использование стандартной эталонной испытательной шины (СЭИШ).

Проведен анализ математических зависимостей, используемых экспертами для расчёта тормозного пути автомобиля при проведении экспертизы ДТП на обледенелом дорожном покрытии. Установлено, что используемые зависимости не учитывают влияние на коэффициент сцепления эксплуатационных параметров и других факторов. Величина коэффициента сцепления выбирается по типу покрытия из рекомендованных к применению таблиц и для льда составляет 0,1. В то же время, проведенный анализ доказывает влияние на коэффициент сцепления многих факторов. Для устранения этого противоречия необходимо разработать корректирующую зависимость коэффициента сцепления по значениям влияющих факторов для конкретных условий ДТП. Для этого необходимо получить отсутствующие, проверить и уточнить известные зависимости коэффициента сцепления от влияющих факторов. По итогам анализа состояния вопроса была сформулирована цель и основные задачи исследования.

Задачи исследования:

1. Разработать математическое описание процесса взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом.

2. Выявить закономерности, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей со льдом. На их основе разработать методику сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на льду в стендовых условиях и научно обосновать методику дорожно-транспортной

экспертизы происшествий на дорогах, покрытых льдом.

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

Во второй главе разработано математическое описание характеристик сцепления шин ф^, =/(5) и фх =/(5Х) со льдом. Областью применения математического описания является обработка и представление результатов испытаний шин, а также моделирование движения автомобиля по обледенелым покрытиям.

Анализ представленных в литературе и полученных в результате поискового эксперимента характеристик шин показал, что в исследуемой области изменения влияющих факторов образуются характеристики схожей формы.

Характеристики становятся подобными друг другу, если использовать нормированные характеристики вида: ^(5) = /(б) / Ф„,пах и

¡^(5,) = /(5,) / <рхтах. Нормированные характеристики представляются зависимостями нормированного коэффициента боковой или продольной силы от угла увода или продольного проскальзывания, где коэффициент \ изменяется в диапазоне от 0 до 1.

При изменении влияющих факторов характеристики и ^Х(5Х)

количественно изменяются. Типовыми характеристиками названы зависимости ^(5Т) и ^(^уг), выражающие с наименьшей погрешностью все

экспериментальные нормированные характеристики (б) и (5Х), полученные в исследуемом пространстве факторов.

Для построения типовых характеристик ^У(8Т) и £г(5хТ) использованы нормированные характеристики, полученные в процессе поисковых исследований шести шин разных моделей. На рис. 1а представлено тридцать экспериментальных нормированных характеристик бокового увода. На рис. 16 представлено тридцать экспериментальных нормированных характеристик продольного проскальзывания. Утолщенные кривые соответствуют среднему арифметическому значению всех характеристик. Функции, аппроксимирующие эти кривые, и являются типовыми характеристиками ^(5Т) и 4х(5хТ). Для типовых характеристик шины использованы

специальные функции.

Основное требование, предъявляемое к специальным функциям, заключалось в том, чтобы они качественно отражали все особенности типовых характеристик (форму, экстремумы, нелинейные участки и др.). Сложность функции и число входящих в неё коэффициентов не имело принципиального значения.

Подбор формул для типовой характеристики бокового увода показал, что наименьшая погрешность образуется при применении модели

1,0

0,8

« 0,6 5

-§• 0,4

0,2

Н. В. Раечка:

^(5Т) =Л5т[Сагс1ап{(1 -£)5Т + (£/ 5)агс1ап(55т)}],

где В, С, О, Е - подбираемые коэффициенты.

Для типовой характеристики продольного проскальзывания наименьшую погрешность дают расчёты на модели П. Н. Малюгина:

=

где ао, Ьо, с0, оо - подбираемые коэффициенты.

0,0

0 3 6 9 12 15 Угол увода 8 [°]

0,0

0 20 40 60 80 100 Продольное проскальзывание [%]

1 °-6 2 0,4

(П

Рис. 1. Усреднение нормированных характеристик: (а) бокового увода; (б) продольного проскальзывания

Формулы типовых характеристик содержат несколько коэффициентов, что обусловлено формой зависимостей £у(8т)и %х Для расчёта коэффициентов использовался метод покоординатного спуска. Целевая функция рассчитывалась по минимуму среднего квадратичного отклонения типовой характеристики от экспериментальной характеристики. При расчёте коэффициентов образуются ложные решения, соответствующие локальным минимумам целевой функции. В качестве примера, на рис. 2 показаны решения, дающие минимальное среднее квадратичное отклонение. Кривая 1 отражает правильное решение, а кривая 2 - ложное решение. Число ложных решений быстро увеличивается при увеличении числа коэффициентов и процедура их вычисления становится сложной.

Вычислены значения коэффициентов модели, выражающей типовую характеристику бокового увода шин на льду:

5 = -11,07; С = 1,63454; О = 0,98589; Е = 0,44367, и значения коэффициентов модели, выражающей типовую характеристику продольного проскальзывания шин на льду:

аа = 0,01372; Ь„ = 0,04189; с0 = 0,69353; ¿„=0,96398.

1,2 1,0

% 0,8 I 0,6

0,4 0,2 0,0

0

г->

3 6 9 12 Угол увода 5 [°]

15

Продольное проскальзывание 5, [%]

1 - правильное решение; 2 - ложное решение Рис. 2. Аппроксимация усредненных характеристик: (а) бокового увода; (б) продольного проскальзывания

Разработаны формулы масштабирования типовых характеристик по значениям оценочных параметров шины: коэффициенту бокового сцепления фипах; коэффициенту продольного сцепления фдтаах; коэффициенту боковой силы при угле увода 12° фИ2; коэффициенту продольного сцепления заблокированного колеса фл6; критическому углу бокового увода 8кр; критическому продольному проскальзыванию

Характеристики разделены на два участка: первый участок - 8 < 8кр и < 5Лкр, второй участок - 8>8кр и 5г>5,.Г1Ср.

Линейная коррекция первого участка. Масштабирование типовых характеристик по критическому углу увода 8т и проскальзыванию

5 ^

5Т = = 5

5„

(3,4)

где 5, - угол увода и продольное проскальзывание для экспериментальной характеристики; 8крТ, 5^крт - значения параметров для типовой характеристики; 8кр, З^кр - значения параметров для экспериментальной характеристики.

Подставляя 8 = 8кр и = 5дкр в формулы функций типовых характеристик, мы получим 8т = 8крТ и = 5лкрх- Это соответствует горизонтальному смещению максимумов характеристик.

Масштабирование типовых характеристик по коэффициенту сцепления:

Фигах . _ /о \ Ё" / о \ Фхтах

Ф,(§) = М§т

....... ...............(5, 6)

ФутахТ ФллпахТ

где ф„ (8), фл- (5^) - сцепные характеристики шины; 8т, 5лт - скорректиро-

ванные по формуле (3, 4) угол увода и продольное проскальзывание; фугпах, фотах - значения параметров для экспериментальной характеристики; футахт. ф.пиахт- значения параметров для типовой характеристики. Отношения ф,.|1Ж / ф,,П1ахТ и флтах / фдтахт представляют собой масштабные коэффициенты. Коррекция задает вертикальное смещение первого участка характеристики.

Линейная коррекция второго участка. Масштабирование типовых характеристик по критическому углу увода 5Т и проскальзыванию ¿V,-:

крТ

+ 8,

крТ'

5

(7, 8)

хкрТ

+ 5.

АКрТ '

где 6тах - максимальное значение угла увода для экспериментальной характеристики. Угол 8тах часто ограничивают величиной 12°. З^ах - максимальное значение продольного проскальзывания для экспериментальной характеристики. Проскальзывание 5отах ограничено величиной 100 %.

Масштабирование типовых характеристик по коэффициентам сцепления:

= гЦ5т) Ф утах Г Ф утах Ф VI2 " 8- "8.Р "

Ф утахТ ФутахТ Фу]2Т 51а

= Ф.плах Фдтпах - 5 .гкр

_ ФтшахТ ^ ФхтахТ ФхбТ / 100

(9, 10)

где индекс 12 соответствует углу увода 12°. Коррекция задает линейное вертикальное смещение второго участка характеристик.

Расчётным путем определена необходимая для испытаний толщина ледяного покрытия. Для оценки его нагрева при испытаниях был выполнен расчёт процесса передачи теплоты, выделившейся в контакте шины, беговому барабану и окружающему воздуху методом конечных элементов.

Выполнены расчёты для режима движения колеса с переменным углом увода. Испытание шины разделено на два этапа.

1) Подвод колеса и нагружение шины нормальной нагрузкой.

Количество теплоты, выделяющееся из-за потерь на качение и передаваемое к единице площади покрытия, за интервал времени т:

/ Р: К к г

=

и Ьъ т "

(11)

где/- коэффициент сопротивления качению шины; Р: - нормальная нагрузка на колесо; У6 - окружная скорость барабана; Ау- коэффициент, учитывающий в долях единицы, какая часть затрачиваемой на преодоление сопротивления качению энергии передается покрытию; /е — длина покры-

тия; bó - ширина покрытия; п - частота вращения барабана.

2) Поворот колеса на угол увода влево и вправо.

Количество теплоты, выделяющееся при движении колеса с уводом и передаваемое к единице площади покрытия, за интервал времени т:

Р sin (5) V6 ks

g„6 = , У > (12)

где ks - коэффициент, учитывающий в долях единицы, какая часть выделившейся в контакте с шиной энергии передается покрытию; Ру - боковая сила; 5 - угол увода.

Суммарное количество теплоты Q.3JI, передаваемое к единице площади покрытия, складывается из двух составляющих:

Р sin (5) V- к, + f Р V,k, /6 Ь- т и

Тепловой поток от наружного слоя покрытия к воздуху:

q = aFM =ab6l„{tn - rj, (14)

где а - коэффициент теплоотдачи; t„ - температура льда; 1В - температура окружающего барабан воздуха; 1п - длина покрытия le-

Написана программа на языке С и выполнен расчёт температуры покрытия при движении колеса с уводом. Расчёты позволяют сделать вывод, что испытания будут стабильными при толщине ледяного покрытия h„ < 1,6 мм. Температура покрытия при испытаниях увеличивалась не более, чем на 0,5 °С.

Третья глава посвящена разработке методик экспериментальных исследований характеристик сцепления шин со льдом в стендовых условиях. За основу был взят стенд с беговым барабаном лаборатории испытаний шин кафедры «Организация и безопасность движения» «СибАДИ» (рис. 3).

На стенде определяются выходные характеристики шин легковых автомобилей в ведомом, тормозном и ведущем режимах качения колеса с уводом и развалом. Силовая система стенда состоит из установленного в опорах качения стального бегового барабана с основным и вспомогательным приводами, устройства нагружения и поворота колеса, гидро- и пнев-мосистем. Колесо с испытываемой шиной устанавливается на ступицу съемной оси в динамометрическом узле, смонтированном в передней части рамы устройства нагружения и поворота колеса. Динамометрический узел состоит из силоизмерительных тензорезисторных датчиков, через которые действующие на шину силы и моменты передаются на раму.

Для получения ледяного покрытия на охлажденный беговой барабан распылялась вода из распылителя 12. В нижней части окна лёд срезался по всей ширине беговой дорожки резцом 10. Толщина льда устанавливалась от 0 до 5 мм резцом. Расход холодного воздуха регулировался заслонкой 4. При открытой заслонке барабан охлаждался. При закрытой заслонке вы-

Рис. 4. Датчик температуры

тяжной вентилятор подавал теплый воздух из лаборатории через дополнительное окно в кожухе 5 и барабан нагревался. Для контроля температуры воздуха установлены четыре спиртовых термометра 3: снаружи лаборатории, внутри лаборатории, внутри кожуха и в вытяжном воздухопроводе.

Рис. 3. Оборудование для создания льда на поверхности

барабана: 1,8- воздуховоды;

2 - приточный вентилятор;

3 - термометры;

4 - заслонка;

5 - теплоизолирующий кожух;

6 - беговой барабан;

7 - вытяжной вентилятор;

9 - испытуемая шина;

10 - резец;

11- пневмогидровытеснитель; 12 - распылитель

Разработано оборудование для контактного измерения температуры льда при вращающемся барабане. Во время испытаний к поверхности льда прижимаются датчики температуры, которые скользят по поверхности, находясь с ней в постоянном контакте. Датчики (рис. 4) изготовлены на базе бескорпусных транзисторов размером 1x1x0,5 мм.

транзистор

Для измерения температуры использовано свойство р-п перехода -падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. Погрешность измерения температуры составляет ±0,1 °С в диапазоне от минус 20 до 0 °С. Постоянная времени датчика температуры составляет 0,3 с. Изготовлено приспособление для прижатия датчиков ко льду (рис. 5).

Рис. 5. Расположение датчиков температуры на стенде перед входом ледяного покрытия барабана в зону

контакта с шиной: 1 — приспособление для крепления датчиков; 2 - лед; 3 - колесо; 4 - кожух

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований.

Выполнено исследование влияния основных эксплуатационных факторов, а также факторов, характеризующих условия испытаний, на характеристики сцепления зимних шин легковых автомобилей со льдом. Проведены испытания двух бескамерных шин 195/65 R15 M+S 91 Т на покрытии изо льда. Экспериментальные характеристики обработаны с использованием разработанного математического описания. На рис. 6а представлены экспериментальные (исходные и сглаженные) и расчётные (утолщённая линия) характеристики бокового увода. На рис. 66 экспериментальные (сглаженные) и расчётные (утолщённая линия) характеристики продольного проскальзывания. Значения срутах и фЛТ,ах находились в точках максимальных значений, 5кр и SVKp как им соответствующие. Значения cpv]2 и фх6 рассчитывались как средние по нескольким последним точкам. Аппроксимация выполнялась по программам, составленным в математическом пакете Maple. На графиках указаны значения оценочных параметров и среднего квадратичного отклонения а расчётной характеристики от сглаженной экспериментальной.

Наибольшие отклонения расчётной характеристики бокового увода от сглаженной экспериментальной в области 5>5кр. Они обусловлены поперечными колебаниями площадки контакта шины. В области углов увода 8 < 8кр отклонения намного меньше. Средние квадратичные отклонения не превышают 5 %.

= 0,153; 1^,2 = 0,117; „ = 2,4°; о =2,2 %

футах = 0,192; ф„,2 = 0,132; 5кр = 2,7°; о =2,9 %

ф,тах = 0,206; ф,6 = 0,096;

©^ 0,10 0,05 -

3 6 9 12 Угол увода 5 [°]

ф*,ш* = 0,171; ф^6 = 0,107; = 4,7 %; о =4,5 %

0,00

0 20 40 60 80 100 Проскальзывание & [%]

0 20 40 60 80 100 Проскальзывание [%]

Рис. 6. Аппроксимация характеристик: (а) бокового увода и (б) продольного проскальзывания

Наибольшие отклонения расчётной характеристики продольного проскальзывания от экспериментальной имеют место в области проскальзывания 5Х> Известно, что качение колеса в этой области является неустойчивым - происходит быстрое блокирование колеса, и форма кривой зависит от темпа торможения. В области продольного проскальзывания & 5 ^р отклонения намного меньше. Средние квадратичные отклонения не превышают 5 %.

Для сравнения на рис. 7 представлены экспериментальные и расчётные зависимости температуры наружного слоя льда перед входом в контакт для шины размером 185/70 Ш4. Начальная толщина ледяного покрытия составляла 1,6 мм. На графиках изображены температуры покрытия при повороте шины от 12° влево до 12° вправо. Учет времени запаздывания измерения датчиками в расчётах осуществляется апериодическим звеном первого порядка. Установлено, что постоянная времени датчика температуры при неподвижном барабане составляет 0,3 с и увеличивается

при его вращении до 3^8 с.

-6,0 -I-,-1-1-1-1- -6,0

-15 -10 -5 0 5 10 15 -15 -10 -5 0 5 10 15

Угол увода 8 [°] Угол увода 8 [°]

Рис. 7. Изменение температуры наружного слоя льда перед входом в контакте шиной размером 185/70 Я14 при изменении постоянной времени датчика и нормальной нагрузке на шину: 1 -2,15 кН, 2 -4,65 кН и 3 - 6,86 кН; Постоянная времени датчика: (а) - 0,3 с; (б) - 5 с

На рис. 7а (постоянная времени датчика 0,3 с) расчётные зависимости значительно отличаются от экспериментальных по форме и амплитуде. При постоянной времени 5 с (рис. 76) зависимости схожи по форме. Отклонения экспериментальной зависимости от расчётной зависимости № 1 не превышают 3 %. Близкое расположение верхних экспериментальных кривых на рисунке и отклонение остальных зависимостей обусловлено уменьшением толщины покрытия при испытаниях, которое не учитывалось.

Для описания зависимостей оценочных параметров шин от влияющих факторов был выбран полином второго порядка, вида:

Г(ЛГ,) = В0 + В,Х,+Вих?, (15)

где У — значение функции отклика; 50, 5„ 5, , - коэффициенты полинома; Х[ - значение фактора.

Для определения коэффициентов полиноминальных моделей были выбраны планы с изменением факторов по одному. Область планирования выбрана с учетом условий реальной эксплуатации шин, данных литературных источников и предварительных испытаний.

По полученным зависимостям рассчитаны значения коэффициентов полинома. С целью количественной оценки влияния факторов выполнена статистическая обработка данных эксперимента. Вычислены коэффициенты влияния факторов на коэффициенты продольного и бокового сцепления.

Результаты проведенных исследований легли в основу разработанной методики сертификационных испытаний шин на льду в стендовых условиях. Она позволяет получать зависимости оценочных параметров, характеризующие сцепление шин со льдом при изменении нормальной нагрузки на колесо. Методикой устанавливаются требования к точности измерений силовых и кинематических параметров, порядок проведения испытаний

шин, обработки и оценки результатов испытаний.

Обработка результатов испытаний производится при помощи разработанных программ, по которым рассчитываются характеристики сцепления шин со льдом и их оценочные параметры.

Стенд должен обеспечивать значения факторов и пределы допустимой погрешности выполняемых измерений, указанные в табл. 1.

Таблица 1 - Основные уровни факторов и пределы допустимых погрешностей их измерений__^___

Фактор Основной уровень Интервал варьирования Относительная погрешн. [%]

1 Нормальная нагрузка на колесо Рг [%] Экономичная ±50 % ±1,6

2 Давление воздуха в шине рв [%] Номинальное - ±4,5

3 Поступательная скорость колеса Кк [км/ч] 50 - ±2,0

4 Температура льда /л [°С] -5 - ±2,0

5 Толщина льда И„ [мм] 1,6 ... 0,8 - ±33,3

6 Скорость поворота колеса 5 [°/с] 2,5 - ±8,0

7 Темп торможения колеса Мг [Н- м/с] 40 - ±9,1

8 Боковая сила [кН] - - ±0,6

9 Продольная сила Рх [кН] - - ±0.6

Предложена корректирующая зависимость коэффициентов бокового ф,. и продольного фЛ сцепления, учитывающая влияние эксплуатационных факторов: нормальной нагрузки на колесо, его поступательной скорости и температуры льда:

ф1 = ф + В,(Р: - 100) + 52(К - 50) + 53(/л + 5), (16)

где ф - коэффициент сцепления при экономичной нормальной нагрузке, скорости 50 км/ч и температуре льда минус 5 °С; Рг — нормальная нагрузка на колесо, в процентах от экономичной; Ук - скорость колеса [км/ч]; /л -температура льда [°С]; 5, - коэффициент регрессии для нормальной нагрузки на колесо [1/%]; В2 - коэффициент регрессии для поступательной скорости колеса [1/(км/ч)]; В3 - коэффициент регрессии для температуры льда [1/°С].

В табл. 2 даны значения коэффициентов регрессии Ви Въ Въ.

Таблица 2 - Коэффициенты линейной регрессии

Коэффициент регрессии Параметры сцепления

Фтам <Р.12 Среднее 4W Ф,5 Среднее

1 Для нормальной нагрузки на колесо В1 [1/%] -0,000466 -0,000437 -0,000452 -0,000586 -0,000408 -0,000497

2 Для поступательной скорости колеса В2 [1/(км/ч)] -0,000779 -0,001034 -0,000907 -0,001293 0,000125 -0,000584

3 Для температуры льда В-, [1/°С] -0,018065 -0,011243 -0,014654 -0,025492 -0,003281 -0,014386

Диапазоны изменения факторов, для которых справедливы найденные коэффициенты регрессии:

- нормальная нагрузка на колесо от 40 до 160 % от экономичной;

- поступательная скорость колеса от 20 до 80 км/ч;

- температура льда от минус 2 до минус 20 °С.

Для иллюстрации влияния эксплуатационных факторов на длину тормозного пути АТС представлены расчёты по предлагаемой методике дорожно-транспортной экспертизы происшествий на дорогах, покрытых льдом. Рассчитаны значения коэффициента сцепления (рис. 8-И0) и тормозного пути (рис. 11-^13) для ряда начальных нагрузок, скоростей и температур льда по ГОСТ Р 51709, по «Рекомендациям по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах» (далее «Рекомендациям...») и по предлагаемой методике. Представлены следующие зависимости влияния факторов на коэффициент продольного сцепления ср' (ТС без АБС, ТС с АБС):

ф' =/(ф*б, Рг), ф' =/(ф.ппах) ф*б, Рг) ~ ОТ НЭГруЗКИ;

ф' =/(ф*б, К), ф' =/(фд-тах, фхб, К) - ОТ СКОрОСТИ;

ф' =/(ф*б. (л), ф' =/(ф.гтах, фхб, - от температуры.

Результаты расчётов (рис. 11-ИЗ), выполненных с использованием корректирующей формулы (16), показывают значительное снижение погрешности определения тормозного пути АТС по сравнению с расчётами, выполненными по ГОСТ Р 5 1709, в среднем:

- на 18,6 % при учете влияния загрузки автомобиля;

- на 6,9 % при учете влияния скорости автомобиля;

- на 29,2 % при учете влияния температуры покрытия,

что доказывает необходимость использования результатов исследования при проведении экспертизы ДТП, с целью повышения её объективности.

На примере Омской области рассчитано снижение потерь от гибели и ранения людей в ДТП в случае внедрения методики сертификационных испытаний шин на льду. Прогнозируемое снижение количества ДТП 53, погибших в ДТП 6 чел, раненых в ДТП 71 чел., экономический эффект 46 210 тыс. руб. в год.

Рис. 8. Зависимости коэффициентов ф' от нормальной нагрузки, % на колесо:

--по ГОСТ Р 51709;

---ф' =/((рх5, Р.);

.........- ф' =/(фдп»х, Ф*б, Рг)

0,20 V 0,15

1 °.10 ? 0,05

о * с

и

0,00

О 40 80 120 160 200 Нормальная нагрузка [%]

^ 0,20 0,15

Я я

-е-•э-

0,05

0,00

Рис. 9. Зависимости коэффициента ф' от скорости:

--по ГОСТ Р 51709;

---ф' =/(ф*б, К);

.........- ф' =/(Флпах, <9хб, К);

-■- - по «Рекомендациям...»

0 20 40 60 80 100

Скорость колеса Кк [км/ч]

0,35

0,30

— 0,25 Ъ-

5 0,20

я

я

•1.0,15 -в-

Г)

£ о,ю

0,05 0,00

175

150

со

-0

125

о - 1П0

со

:>

о. /5

ь

50

Рис. 10. Зависимости коэффициента ф' от температуры:

--по ГОСТ Р 51709;

---ф' =/(Фл6, Р-У,

.........- ф' =/(флтах, Л)

О -5 -10-15 -20 -25

Температура льда 1„ [°С]

/ /

У .

/

Рис. И. Зависимости тормозного пути от загрузки автомобиля: ——-по ГОСТ Р 51709; --- ф' =/(<9x6, Рг);

.........- ф' =/(ф.™ах, Фхб, Pz)

40 80 120 160 200

Загрузка [%]

1000

900

800

S 700

fj

600

>ч

с

500

г

о

2 CL 400

£

300

200

100

0

200 175

"150

<о

§125 я 100

СО

,1 75 50 25

/

1

1

/

1 /

/ /■ /

О 20 40 60 80 100 Начальная скорость [км/ч]

SJ

S

Рис. 12. Зависимости тормозного пути от начальной скорости автомобиля:

-- по ГОСТ Р 51709;

---<р' =/(ф,б, Кк);

.........- ф' = /(флтах, Флб, К);

— ■ — - по «Рекомендациям...»

Рис. 13. Зависимости тормозного

пути от температуры льда: -- по ГОСТ Р 51709;

--- Ф' =/(фл-о, РгУ,

.........- ф' =/(флшах, Флб, Pz)

О -5 -10-15 -20 -25 Температура льда t„ [°С]

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

I. Разработанное математическое описание процесса взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом, позволяет рассчитывать характеристики продольного проскальзывания и бокового увода шин с учётом изменения их сцепных свойств от загруженности АТС,

их начальной скорости и температуры льда. В качестве коэффициентов в математическом описании используются оценочные параметры сцепных свойств шин, что позволяет учитывать влияние этих параметров на движение АТС при экспертизе ДТП.

2. Выявленные закономерности, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей со льдом показывают, что:

- при перегрузке автомобиля (без АБС) на 50 % тормозной путь возрастает на 27,5 % по сравнению с тормозным путем, найденным по ГОСТу (разница путей 28,3 м); при снижении нагрузки на 50 % тормозной путь снижается на 14,7% (разница путей 15,2 м). При перегрузке автомобиля, оборудованного АБС, на 50 % тормозной путь возрастает на 5,3 % (разница путей 5,4 м); при снижении нагрузки на 50 % тормозной путь снижается на 29,3 % (разница путей 30,2 м).

- при начальной скорости 75 км/час автомобиля (без АБС) тормозной путь снижается на 0,1 % (0,1 м); при начальной скорости 25 км/час - тормозной путь увеличивается лишь на 1,0 % (1,1 м). При начальной скорости 75 км/час автомобиля, оборудованного АБС, имеем снижение тормозного пути на 19,1 % (19,7 м); при начальной скорости 25 км/час тормозной путь снижается на 5,4 % (5,6 м).

- при температуре льда минус 17 °С тормозной путь автомобиля (без АБС) уменьшается на 25,9 % (26,6 м) по сравнению с путем, рассчитанным по ГОСТу; при температуре льда минус 3 °С тормозной путь увеличивается на 9,0 % (9,2 м). При температуре льда минус 17 °С тормозной путь автомобиля (с АБС) уменьшается на 62,6 % (64,5 м); при температуре льда минус 3 °С тормозной путь увеличивается на 9,6 % (9,9 м) для автомобиля, оборудованного АБС.

3. На основе выявленных закономерностей разработана методика стендовых сертификационных испытаний тин легковых автомобилей, позволяющая определять их сцепные свойства со льдом, расширяющая спектр сертификационных испытаний на соответствие шин условиям эксплуатации на обледенелых дорожных покрытиях. Погрешность измерения коэффициента сцепления шин со льдом составляет ±4 %.

4. Научно обоснована методика дорожно-транспортной экспертизы происшествий на дорогах, покрытых льдом, использующая выявленную корректирующую зависимость коэффициента сцепления вида:

<р' = Ф + В,(Р: - 100) + £,(Кх - 50) + Я3(/л + 5), учитывающую загруженность АТС, его начальную скорость, температуру льда, значительно уточняющую расчёты тормозного пути и установившегося замедления АТС. Для повышения объективности экспертизы ДТП на льду величину коэффициента сцепления необходимо устанавливать по корректирующей зависимости, учитывая следующие факторы:

- вид снежно-ледяных отложений на дорожном покрытии {рыхлый снег, снежный накат, стекловидный лед);

- диапазон изменения коэффициента сцепления шин с опорной поверхностью (для снежного наката он составляет 0,1 -0,25, для стекловидного льда- 0,08-Ю, 15);

- тип шин (у зимних шин коэффш!иент сцепления на 20-К30 % выше, чем у всесезонных);

- высоту рисунка протектора (с уменьшением высоты рисунка протектора от 8 мм до 1 мм коэффициент сцепления снижается на 30+40 %).

Методика предусматривает необходимость внесения в протокол осмотра места происшествия следующих данных:

- количество пассажиров в момент ДТП, массу груза;

- тип шин, высоту рисунка их протектора;

- вид и температуру снежно-ледяных отложений на дорожном покрытии.

Погрешность определения тормозного пути с использованием корректирующей зависимости коэффициента сцепления, по сравнению с его определением по ГОСТ Р 51709, снижается в среднем:

- на 18,6 % при учете влияния загрузки автомобиля;

- на 6,9 % при учете влияния скорости автомобиля;

- на 29,2 % при учете влияния температуры покрытия.

5. Производственная проверка результатов проведенного исследования в Экспертно-криминалистическим центре МВД России по Омской области показывает, что погрешность определения установившегося замедления по разработанной методике снижается в среднем на 18 %, а тормозного пути на 16 % по сравнению с методикой по ГОСТ Р 51709, что значительно повышает объективность дорожно-транспортной экспертизы происшествий. Внедрение методики сертификационных испытаний шин на льду позволит снизить количество ДТП в Омской области на 53, погибших на 6 чел, раненых на 71 чел, ожидаемый экономический эффект от повышения безопасности автомобилей 46 210 тыс. руб. в год.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

- в изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Испытания шин на барабанном стенде с ледяным покрытием / С.С. Капралов, П.Н. Малюгин, А.М. Зарщиков, В.А. Ковригин // Автомобильная промышленность. - 2003, № 3. - С. 28-29.

2. Описание характеристик продольного проскальзывания шин на льду / П.Н. Малюгин, В.А. Ковригин // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). - 2011. Вып. 3. С. 15-18.

- в научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов:

3. Исследование сцепных свойств шин на льду в стендовых условиях / П.Н. Малюгин, С.С. Капралов, А.М. Зарщиков, В.А. Ковригин // Материалы конференций ААИ, выпуск 9. Дмитров: ФГУПНИЦИАМТ, 2002. -С. 124-131.

4. Оценка автомобильных шин по выходным характеристикам безопасности / В.Д. Балакин, П.Н. Малюгин, С.С. Капралов, A.M. Зарщиков,

B.А. Ковригин // Проблемы безопасности дорожного движения: Материалы I Российско-Германской конференции. - Омск: СибАДИ, 2002. Т. 2.

C. 33-39.

5. Определение сцепных свойств шин на барабанном стенде на покрытии изо льда: отчет о НИР: тема №134-02 / рук. П.Н. Малюгин; среди исп.: В.А. Ковригин. - № 01200304616; Инв. № 03200301642. - Омск: СибАДИ, 2003. - 83 с.

6. Ковригин В.А. Разработка методики испытаний шин на льду для определения сцепных свойств // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура: Материалы международной научно-практической конференции 21-23 мая 2003 г. - Омск: СибАДИ, 2003. -Книга 1.-С. 170-172.

7. Определение сцепных свойств шин на барабанном стенде на покрытии изо льда: отчет о НИР: тема № 1-03 / рук. П.Н.Малюгин; среди исп.: В.А. Ковригин. - № 01200307542; Инв. № 03200302620. - Омск: СибАДИ, 2003. - 129 с.

8. Определение сцепных свойств шин на барабанном стенде на покрытии изо льда: отчет о НИР: тема № 35-03 / рук. П.Н. Малюгин; среди исп.: В.А. Ковригин. - № 01201157990; Инв. № 03201153226. - Омск: СибАДИ, 2003. - 52 с.

9. Ковригин В.А. Методы и результаты испытаний шин на льду в стендовых условиях // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2004. - Вып. 1, Ч. 1. - С. 84-88.

10. Малюгин П.Н., Ковригин В.А. Стабилизация температуры покрытия при стендовых испытаниях шин на льду / Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров: Материалы 77-й Международной научно-технической конференции ААИ. - М.: МАМИ, 2012 г. - Книга 5. - С. 34-38.

11. Ковригин В.А., Малюгин П.Н. Учет влияющих факторов при расчёте тормозного пути автомобиля на обледенелом покрытии / Особенности эксплуатации автотранспортных средств в дорожно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. Проблемы сертификации, диагностики, контроля технического состояния: Материалы 83-й международной научно-технической конференции ААИ. - Иркутск: ИрГТУ, 2013 г. - С. 52-58.

Подписано в печать 21.07.2014 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ № 238710. Типография «Золотой тираж» г. Омск, ул. Орджоникидзе, 34.

ФГБОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

04201 460753 На правах рукописи

КОВРИГИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕПЛЕНИЯ

ИХ ШИН СО ЛЬДОМ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Малюгин П. Н.

Омск-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА ОБЛЕДЕНЕЛЫХ ДОРОГАХ И ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕПЛЕНИЯ ШИН СО ЛЬДОМ.............................................И

1.1 Безопасность эксплуатации автомобильного транспорта в зимний период.....11

1.2 Общие положения о трении резины......................................................................16

1.3 Строение и свойства льда.......................................................................................18

1.4 Механизм трения при скольжении резины по льду.............................................20

1.5 Оборудование для испытаний шин на льду..........................................................26

1.6 Характеристики шин при качении по льду...........................................................32

1.6.1 Характеристики бокового увода.........................................................................34

1.6.2 Характеристики продольного проскальзывания...............................................38

1.7 Представление результатов эксперимента и моделирование характеристик шин при качении по льду......................................................................................................46

1.8 Использование сцепных характеристик шин при проведении дорожно-транспортной экспертизы на обледенелых дорожных покрытиях...........................50

1.9 Анализ процедуры сертификационных испытаний шин легковых автомобилей в отношении сцепных качеств.....................................................................................55

1.10 Результаты и выводы по главе..............................................................................61

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕПЛЕНИЯ ШИН СО ЛЬДОМ И ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В

КОНТАКТЕ ШИНЫ С ПОКРЫТИЕМ ИЗО ЛЬДА...................................................63

2.1 Разработка математического описания характеристик сцепления шин со льдом...............................................................................................................................63

2.1.1 Порядок разработки математического описания..............................................63

2.1.2 Описание характеристики бокового увода........................................................67

2.1.3 Описание характеристики продольного проскальзывания..............................70

2.2 Разработка математического описания процесса теплопередачи в контакте шины с покрытием изо льда.........................................................................................72

2.2.1 Расчётная модель..................................................................................................72

2.2.2 Граничные условия...............................................................................................74

2.2.3 Методика расчёта температуры покрытия.........................................................78

2.3 Результаты и выводы по главе................................................................................80

3 МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................81

3.1 Требования к точности измерения параметров шин на стендах........................81

3.2 Разработка оборудования для испытаний шин на льду в стендовых условиях.........................................................................................................................83

3.2.1 Конструкция стенда для испытаний шин..........................................................83

3.2.1.1 Силовая система стенда....................................................................................85

3.2.1.2 Измерительная система стенда........................................................................89

3.2.1.3 Система управления стендом...........................................................................93

3.2.2 Оборудование для охлаждения барабана и создания покрытия изо льда......94

3.2.3 Оборудование для измерения температуры льда..............................................97

3.3 Планирование эксперимента................................................................................101

3.4 Методика проведения испытаний........................................................................105

3.5 Методика обработки результатов измерений.....................................................106

3.6 Результаты и выводы по главе...............................................................................111

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................ИЗ

4.1 Сравнение расчётных и экспериментальных характеристик сцепления шин со льдом.............................................................................................................................113

4.2 Сравнение расчётных и экспериментальных зависимостей температуры покрытия при испытаниях шин.................................................................................119

4.3 Результаты экспериментальных исследований характеристик сцепления шин легковых автомобилей со льдом в стендовых условиях.........................................124

4.3.1 Зависимости оценочных параметров характеристик бокового увода шин при качении по льду от различных факторов..................................................................125

4.3.2 Зависимости оценочных параметров характеристик продольного

проскальзывания шин при качении по льду от различных факторов....................135

4.4 Анализ результатов испытаний шин...................................................................145

4.5 Методика сертификационных испытаний шин на льду в стендовых условиях.......................................................................................................................152

4.6 Методика коррекции коэффициентов сцепления при экспертизе ДТП на дорогах, покрытых льдом...........................................................................................161

4.7 Расчёт социально-экономического эффекта от внедрения методики сертификационных испытаний шин на льду............................................................173

4.8 Результаты и выводы по главе..............................................................................175

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................................................................178

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................181

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программы аппроксимации сцепных характеристик шин ... 190 ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа расчёта теплопередачи в покрытии изо льда......200

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Ежегодно на территории Российской Федерации происходит более двухсот тысяч дорожно-транспортных происшествий (ДТП), в которых гибнет от 30 до 50 тысяч человек. По данным, приведенным в постановлении правительства РФ «О федеральной целевой программе «Повышение безопасности дорожного движения в 2013 - 2020 годах» демографический ущерб от ДТП и их последствий в России за 2004-2011 годы составил 571 407 человек. Социально-экономический ущерб от аварий на дорогах за те же годы оценивается в 8 188,3 миллиарда рублей. Меры борьбы с аварийностью на автомобильном транспорте предусматривают проведение комплекса мероприятий по улучшению условий движения, повышению квалификации и укреплению дисциплины водителей, совершенствованию конструкций подвижного состава и его технического состояния. Одними из наиболее распространенных на территории нашей страны причин ДТП являются нарушение управляемости и устойчивости автотранспортного средства (АТС) и низкая эффективность торможения в результате потери сцепления шин с дорогой. Согласно официальной статистике, неблагоприятные дорожные условия стали причиной 20 % от общего числа ДТП и являлись сопутствующей причиной ДТП в 70 % случаях. Как правило, такие ДТП происходят на дорогах, покрытых льдом и снегом. Несмотря на это, в настоящее время в нормативных документах, распространяющихся на автомобильные шины, отсутствуют требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием. Для формулирования этих требований необходимо установить величины оценочных параметров сцепления шин с обледенелым дорожным покрытием и разработать соответствующую методику сертификационных испытаний шин.

Особое место среди мер борьбы с аварийностью занимает расследование ДТП, которое требует внедрения в практику новых эффективных методов, позволяющих повышать достоверность проведения экспертизы. Отсутствие общепринятой методики определения сцепных свойств шин на обледенелом покрытии не

позволяет определять их коэффициент сцепления с малыми погрешностями, что значительно снижает объективность проведения экспертизы ДТП автомобилей на скользких дорогах. Попытки разработать такую методику наталкиваются на противоречие, связанное с недостаточностью знаний о закономерностях, характеризующих процесс взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом, что говорит о необходимости проведения исследований в этом направлении.

Таким образом, научное исследование, направленное на повышение объективности экспертизы ДТП и совершенствование сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на основе их характеристик сцепления со льдом является не только актуальной, но и социально значимой научно-технической задачей.

Рабочая гипотеза. Безопасность АТС, объективность экспертизы ДТП и качество сертификационных испытаний автомобильных шин можно значительно повысить, если учитывать закономерности, характеризующие процесс взаимодействия автомобильных шин с опорной поверхностью, покрытой льдом.

Цель работы. Повышение безопасности автомобилей в условиях эксплуатации, объективности дорожно-транспортной экспертизы происшествий и совершенствование сертификационных испытаний шин легковых автомобилей на основе учета закономерностей их сцепления со льдом.

Методы и средства исследования. Метод конечных элементов в исследовании процессов теплообмена в ледяном покрытии бегового барабана стенда; теория планирования эксперимента и математической статистики; численные методы математического анализа; экспериментальные методы исследования характеристик шин в стендовых условиях.

Объект исследования - процесс взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью, покрытой льдом.

Предмет исследования - математические зависимости и графики, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей с опорной поверхностью, покрытой льдом.

Достоверность полученных результатов обеспечена:

• репрезентативностью выборок экспериментальных данных, применением методов статистической обработки результатов, теорией вероятности и математической статистики;

• корректным применением регрессионно-корреляционного анализа, обеспечивающим сходимость результатов расчётных и экспериментальных исследований;

• отсутствием противоречий с результатами ранее проведенных исследований другими учеными.

Научной новизной обладают:

1 Разработанное математическое описание процесса взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью, покрытой льдом, позволяющее моделировать движение автомобилей по обледенелым дорожным покрытиям.

2 Выявленные закономерности, характеризующие процесс взаимодействия шин легковых автомобилей со льдом, учитывающие их загруженность и начальную скорость, а также температуру льда.

3 Разработанная методика экспертизы ДТП, позволяющая значительно уточнять расчёты торможения и маневрирования автомобиля на обледенелых дорогах с учетом выявленных закономерностей, характеризующих процесс взаимодействия шин со льдом.

4 Разработанная методика сертификационных испытаний шин легковых автомобилей в стендовых условиях, позволяющая определять их сцепные свойства со льдом с погрешностью измерения коэффициентов сцепления ±4 %.

Практическая значимость работы. Разработанная на основе характеристик сцепления шин методика и их аналитическое описание могут быть использованы центрами технической экспертизы для расчётов торможения и маневрирования в процессе расследования причин ДТП автомобилей на обледенелых покрытиях. Методика сертификационных испытаний шин может быть использована предприятиями, осуществляющими производство и продажу автомобильных шин при проведении процедуры сертификации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1 Для значительного повышения точности моделирования параметров движения автомобилей по обледенелым дорожным покрытиям математическое описание должно учитывать особенности характеристик бокового увода и продольного проскальзывания шин на льду, а также режимы их взаимодействия с опорной поверхностью.

2 Объективность дорожно-транспортной экспертизы ДТП на льду может быть значительно повышена, если расчёты тормозного пути и установившегося замедления автомобиля на обледенелых дорогах выполнять с учетом корректирующей зависимости и выявленных закономерностей, характеризующих процесс взаимодействия шин со льдом.

3 Для повышения безопасности эксплуатации автомобилей в условиях Российской Федерации нормативные документы должны содержать требования к сцеплению шин с обледенелым дорожным покрытием, а методика сертификационных испытаний шин должна включать стендовые испытания, позволяющие измерять коэффициенты сцепления шин со льдом с погрешностью не более ±4 %.

Апробация работы. Материалы работы были доложены и одобрены на научно-технических конференциях, проходивших в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), г. Омск: на Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» в 2003 г.; на 43-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях крайнего Севера» в 2003 г.; на международной научно-технической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, как основа рационального природопользования» в 2004 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» в 2006 г.; на IV Межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, эксплуатация и боевая эффективность, наука и образование» «Броня 2008» в 2008 г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспи-

рантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» в 2009 г. На II Международной научно практической конференции «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта», проходившей в Иркутском государственном техническом университете (ИрГТУ) в 2009 г. На кафедре «Автомобили» Московского государственного технического университета «МАМИ» в 2012 г. Кафедре «Автомобильный транспорт» Иркутского государственного технического университета в 2013 г.

Реализация результатов работы. Разработанная методика испытаний шин внедрена в лаборатории испытаний шин кафедры «Организация и безопасность движения» ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Проведены испытания шин для фирмы «Michelin» (моделей Карпог 3, Hakkapeliitta-1, «SevenHills», «Таганка» размером 195/65R15); для ОАО «Кировский шинный завод» (моделей К-205 «Метелица», KN-211 «Nordman» размером 195/65R15); для ЗАО «Матадор-Омскшина» (моделей МР-56, М-261 «Таганка SPEEDWAY», Hakkapeliitta NRW размером 185/70 R14); для ОАО «Омскшина» (моделей: К-156-1, 0-160 размером 185/70 R16).

Методика расчёта тормозного пути и установившегося замедления автомобиля на обледенелых дорогах с учётом его загруженности, начальной скорости и температуры льда рекомендована Экспертно-криминалистическим центром (ЭКЦ) МВД России по Омской области для повышения объективности проведения дорожно-транспортной экспертизы происшествий.

Результаты исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СибАДИ» при подготовке инженеров по специальностям «Организация и безопасность движения» и «Автомобили и автомобильное хозяйство».

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 203 страницах и состоит из введения, четырёх глав (содержат 33 таблицы и 115 иллюстраций), основных выводов, списка литературы (содержит 94 источника) и двух приложений (занимают 14 страниц).

Автор выражает искреннюю благодарность руководителю Малюгину Павлу Николаевичу и профессору Балакину Виталию Дмитриевичу за помощь в работе над диссертацией.

1 АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА ОБЛЕДЕНЕЛЫХ ДОРОГАХ И ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕПЛЕНИЯ ШИН СО ЛЬДОМ

1.1 Безопасность эксплуатации автомобильного транспорта в зимний период

Одной из главных проблем эксплуатации автомобилей является обеспечение безопасности дорожного движения, особенно в зимнее время года. Ежегодно в Российской Федерации регистрируется более 200 тыс. дорожно-транспортных происшествий [1]. В «Рекомендациях по обеспечению безопасности дорожного движения на автомобильных дорогах» [2] отмечено, что сцепные качества дорожного покрытия в значительной степени определяют длину тормозного пути автомобиля, оказывают большое влияние на его устойчивость и управляемость, поэтому являются важнейшим параметром, влияющим на безопасность движения. Как показывают многочисленные исследования [3, 4, 5 и др.], из-за снижения сцепления степень риска попасть в ДТП на покрытом снегом или льдом дорожном покрытии соо�