автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Повышение информативности дорожного метода диагностики тормозных систем автотранспортных средств в условиях эксплуатации

На правах рукописи

/3^

ХАЛЕЗОВ ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ ДОРОЖНОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о СЕН 2015

005562749

Иркутск-2015

005562749

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Федотов Александр Иванович,

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

Балакина Екатерина Викторовна,

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

Малюгин Павел Николаевич,

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

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

Защита состоится 20 октября 2015 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» и на сайте: http://www.istu.edu/structure/54/5042/?dis_id=19518

Автореферат диссертации разослан: « сентября 2015 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Ю. Красноштанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автомобиль является самым массовым и при этом самым опасным транспортным средством современности. Ежегодно в нашей стране в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) гибнет более двадцати тысяч человек — это сравнимо с населением небольшого города. При этом более 98% ДТП происходит при торможении автотранспортных средств (АТС), либо сопровождается торможением. Зачастую эффективность функционирования тормозной системы АТС влияет и на количество ДТП и на тяжесть их последствий. Именно поэтому в условиях эксплуатации АТС особое внимание уделяется контролю технического состояния их тормозных систем, который выполняют либо дорожными, либо стендовыми методами. При всех достоинствах стендовых методов они имеют и очевидные недостатки. Это и относительно большая стоимость стендов, и не высокое качество контроля тормозных систем АТС.

Так, результаты исследований, проведенных в Волжском политехническом университете, показывают, что при положительных результатах испытаний тормозных систем автобусов на стендах с беговыми барабанами, 50% из них при торможении в дорожных условиях не обеспечили нормативное замедление и превысили линейное отклонение.

При этом эффективный дорожный метод, в случае отрицательного результата контроля, не позволяет ответить на вопрос о том, в чем причина низкой тормозной эффективности и/или устойчивости АТС при торможении. Чтобы выявить неисправный тормозной механизм требуется дополнительная дифференциальная диагностика тормозной системы АТС на стенде. Поэтому одним из недостатков дорожного метода контроля технического состояния тормозных систем АТС является его низкая информативность, связанная с отсутствием возможности измерения тормозных сил на колесах АТС. Применение для этого площадочных стендов малоперспективно, поскольку погрешность измерения тормозных сил на них, по данным профессора А.Г. Сергеева достигает 50% и более. Попытка решить эту проблему вступает в противоречие с недостатком знаний о закономерностях взаимодействия шин тормозящих колес АТС с площадками стендов. Поэтому научное исследование, направленное на повышение информативности дорожного метода диагностики тормозной системы АТС в условиях эксплуатации актуально и имеет важное народнохозяйственное значение.

Цель исследования. Повышение информативности дорожного метода диагностики тормозных систем АТС в условиях эксплуатации на основе учета механики взаимодействия эластичных шин с плоской опорной поверхностью.

Научная гипотеза. Информативность дорожного метода диагностики тормозных систем АТС можно значительно повысить, если в дополнение к параметрам их тормозной эффективности и устойчивости измерять эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин тормозящих колес с опорной поверхностью дороги.

Объект исследования. Процесс взаимодействия шин тормозящих колес АТС с плоской опорной поверхностью при контроле технического состояния тормозных систем в дорожных условиях.

Предмет исследования. Закономерности изменения параметров, характеризующих взаимодействие автомобильных шин с плоской опорной поверхностью. Закономерности, связывающие эти параметры с параметрами, влияющими на показатели контроля процесса торможения АТС в дорожных условиях.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель, позволяющую исследовать процессы взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС с плоской опорной поверхностью в пятне контакта, рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин на основе эпюр распределения продольной и нормальной реакции по длине пятна контакта, анализировать погрешности измерения тормозных сил на площадочных стендах и в дорожных условиях.

2. Получить эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины и проанализировать возможность построения на их основе стационарных характеристик сцепления шин (<р - S) - диаграмм, нормированных f(S) - диаграмм, а также определения основных коэффициентов математической модели шины Pacejka H.B. - Дика А.Б.

4. Выполнить исследование процесса торможения колес АТС на площадочных стендах с целью выявления причин возникновения погрешностей измерения тормозных сил и закономерностей их изменения от влияющих факторов. На основе выявленных закономерностей выполнить научное обоснование метода, повышающего информативность диагностики тормозных систем АТС в дорожных условиях.

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

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель, позволяет исследовать процессы взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с плоской опорной поверхностью, рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин на основе эпюр распределения продольной и нормальной реакций по длине пятна контакта, а также погрешности измерения тормозных сил на колесах АТС;

2. Эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин с плоской опорной поверхностью позволяют с достаточной для практики точностью определять стационарные характеристики сцепления шин в виде (tp - S) - диаграмм и нормированных f(S) - диаграмм, а также основные коэффициенты математической модели шины Pacejka H.B. - Дика А.Б.;

3. Большие погрешности измерения тормозных сил на площадочных стендах связаны с их конструктивными и технологическими особенностями, имеют системный характер, вызваны колебаниями тормозящих колес с площадками стендов и неточностью их позиционирования;

4. Разработанный метод контроля тормозных систем АТС в дорожных условиях, основанный на измерении эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта тормозящих колес, позволяет одновременно определять продольную и нормальную реакции, рассчитывать удельную тормозную силу и коэффициент относительной разности тормозных сил для каждой оси АТС, и при этом, конкретизировать элементы, снижающие показатели его тормозной эффективности и/или устойчивости.

Научной новизной обладают: математическая модель процесса взаимодействия эластичных шин тормозящих колес АТС с плоской опорной поверхностью; установленные закономерности и количественные показатели, характеризующие взаимодействие эластичных шин с плоской опорной поверхностью; закономерности, связывающие силы, действующие в пятнах

контакта шин тормозящих колес на плоской опорной поверхности, с параметрами, влияющими на показатели контроля процесса торможения АТС в дорожных условиях; метод, повышающий информативность контроля технического состояния тормозных систем АТС в дорожных условиях

Теоретическая значимость исследования. Разработанная математическая модель и количественные показатели, позволяют аналитически оценивать механику взаимодействия шин автомобильных колес в пятне контакта с плоской опорной поверхностью. Выполнять анализ процессов торможения колес АТС на плоской опорной поверхности дороги и на площадочных стендах. Выявленные закономерности, и количественные показатели позволяют расчетным методом определять стационарные характеристики сцепления шин с плоской опорной поверхностью, {(р - s) - диаграммы, на основе эпюр распределения продольных и нормальных реакций по длине пятна контакта шин. Определять величины продольных и нормальных реакций на колесах АТС, тормозящих на плоской опорной поверхности.

Практическая значимость исследования.

Предприятиям, выполняющим исследования тормозных систем АТС и разработку оборудования для их контроля и диагностики, результаты научных исследований позволяют значительно повышать информативность дорожного метода контроля тормозных систем.

Центрам инструментального контроля АТС разработанный метод и реализующее его оборудование позволяют измерять тормозные силы на колесах диагностируемого АТС в дорожных условиях, тем самым повышать информативность и объективность контроля тормозных систем, а также частично конкретизировать элементы, снижающие показатели его тормозной эффективности и/или устойчивости, что в свою очередь способствует повышению безопасности автомобилей в условиях эксплуатации.

Методы исследований. В аналитических исследованиях использованы численные методы математического анализа и решения дифференциальных, алгебраических уравнений и неравенств, а также методы математического моделирования. Экспериментальные исследования процессов взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с плоской опорной поверхностью и процессов контроля параметров АТС осуществлялись стендовыми и дорожными испытаниями. Планирование эксперимента, оценка математической модели, а также обработка полученного экспериментального материала осуществлялась при помощи методов математической статистики.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ЗАО Промышленная группа «ГАРО», г. Великий Новгород, в ОАО «ГАТП-3» г. Улан-Удэ, а также в учебный процесс кафедры «Автомобильный транспорт» ФГБОУ ВО ИрНИТУ.

Апробация работы. Материалы и результаты проведенного научного исследования доложены и получили одобрение на: на III Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» -Иркутск, в апреле 2013 г.; на 83-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. - Иркутск, в сентябре 2013 г.; на всероссийской Научно-практической конференции с международным участием «Транспортные системы Сибири. Проблемы безопасности», Красноярск, в октябре 2013г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции

«Авиамашиностроение и транспорт Сибири» - Иркутск, в апреле 2014 г.; на конкурсе научно-инновационных проектов «Изобретатель XXI века» в рамках Всероссийского фестиваля науки - Иркутск, в октябре 2014 г.; на 90-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров - Иркутск, в апреле 2015 г.; на VI Международной конференции «Проблемы механики современных машин» - Республика Бурятия, ВСГУТУ, СОЛ «Ровесник» (оз. Байкал), в июле 2015 г.

Личный вклад автора заключается в разработке математической модели, выполнении расчетов на ней, в разработке методик исследования и участии в изготовлении исследовательского оборудования, в разработке и патентовании объектов интеллектуальной собственности, проведении аналитических экспериментальных исследований, участии в разработке и апробации нового высокоинформативного дорожного метода диагностики тормозных систем АТС от научного поиска до реализации его на практике.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 1 патент РФ, 11 научных статей в сборниках Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 199 наименований, в том числе 19 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 238 страницах машинописного текста и включает 9 таблиц, 95 рисунков и 3 приложения с материалами результатов исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Федотову Александру Ивановичу за помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована рабочая гипотеза, определены цели, объект и предмет исследования, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит анализ работ, посвященных развитию методов и средств диагностирования и контроля тормозной системы АТС, а так же подходов к моделированию процесса взаимодействия эластичных шин с плоской опорной поверхностью. Одной из самых важных систем, обеспечивающих безопасность АТС, является тормозная система. Контроль технического состояния тормозных систем АТС в условиях эксплуатации осуществляется дорожным и стендовым методами. Наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получил стендовый метод.

Большой вклад в развитие технической диагностики и контроля эффективности тормозных систем АТС внесли российские и зарубежные ученые: И.Н. Аринин, В.Д. Балакин, A.B. Бойко, А.Д. Борц, А.П. Болдин, В.И. Васильев, Г.В. Веденяпин, Г.Ф. Верзаков, Б.В. Гернер, Н.Я. Говорущенко, А.Б. Гредескул, И.М. Григорьев, А.И. Гришкевич, Ю.А. Ечеистов, В.А. Иларионов, Г.М. Косолапое, Б.В. Левинсон, В.М. Лившиц, П.Н. Малюгин, A.A. Малюков, P.A. Меламуд, Л.В. Мирошников, В.М. Михлин, A.B. Мозгалевский, Б.В. Павлов, М.А. Петров, A.A. Ревин, А.Н. Степанов, А.Г. Сергеев, A.A. Смолин, В.А. Топалиди, Д.А. Тихов-Тинников, Б.С. Фалькевич, А.И. Федотов, A.M. Харазов, U. Lehman, D. Lenk, P. Richard и др.

Российскими и зарубежными учеными разработаны высокоинформативные, эффективные методы диагностики технического состояния АТС. Создано новое оборудование, реализующее экспертные методы постановки диагноза с использованием современных компьютеров.

Проанализированы достоинства и недостатки методов контроля тормозных систем АТС. Проведен анализ контрольно-измерительного оборудования, которое используют при диагностике тормозных систем АТС.

Применяемые, при техническом осмотре, стенды с беговыми барабанами, не всегда дают объективные результаты контроля тормозных систем АТС в условиях эксплуатации. Причиной этого являются значительные различия в механике взаимодействия шин с опорными поверхностями.

Дорожный метод контроля тормозных систем АТС максимально приближен к реальным условиям эксплуатации. При этом если контролируемые параметры выходят за пределы нормативных значений, метод не позволяет выявлять причину и место неисправности, что увеличивает простои АТС и затраты на дополнительное диагностирование. Анализ показывает, что решение этой задачи, возможно на основе измерения тормозных сил под каждым колесом АТС, в том числе при помощи инерционных площадочных стендов.

Чтобы иметь представление о степени применимости площадочных стендов, необходимо провести исследование зависимостей их метрологических показателей от конструктивных и технологических параметров тестового режима торможения АТС. А так же необходимо изучить механику взаимодействия колеса АТС с площадками стенда.

Исследованию механики взаимодействия шин с плоскими опорными поверхностями и разработке их математических моделей посвятили свои труды многие отечественные и зарубежные ученые: Балакина Е.В., Бойко A.B., Вирабов Р.В., Гудков В.В., Дик А.Б., Ечеистов Ю.А., Зотов Н.М., Малюгин П.Н., Морозов Б.И., Кнороз В.И., Литвинов A.C., Петров М.А., Ракляр A.M., Рыков С.П., Смирнов Г.А., Сокол П.А., Фалькевич Б.С., Федотов А.И., Чудаков Е.А., Кларк, Thomson J., Thorvald В., Pacejka Н.В., Pauwelussen J.P., Gipser M., Persson N. и др.

Проанализированы существующие математические модели шин. Для решения поставленной в работе задачи наиболее приемлемой признана полуэмпирическая модель шины авторов H.B. Pacejka и А.Б.Дика. Она позволяет моделировать процесс торможения шины с приемлемой для исследований точностью. Но она имеет очевидный недостаток. Для ее применения необходимы экспериментально полученные стационарные характеристики шин. В работе разработана методика расчета (<р - S) - диаграммы на основе эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин, что позволяет определять основные коэффициенты математической модели.

В завершении главы сформулированы выводы и задачи исследования.

Вторая глава посвящена научному обоснованию мер, направленных на повышение информативности дорожного метода диагностики тормозных систем АТС в условиях эксплуатации.

В главе разработан математический аппарат для аналитического определения стационарных характеристик сцепления шин в виде (<р - S) - диаграмм на основе эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины в режиме торможения, с учетом нормальной нагрузки на колесо, радиальной деформации, жесткости и демпфирований в шине.

В процессе движения колеса под действием нормальной нагрузки Ск происходит радиальная деформация эластичной шины и, как следствие, изменяется окружная скорость движения точек её протектора, которая определяется как:

Уоф= юк-гг созаг, (1)

где г— радиус колеса в /-ой точке (см. рис 2).

При моделировании процессов деформации шины следует учитывать изменение длины пятна ее контакта (А'В' вместо АВ) (рис.1.):

Ац = ¿'д ' (1)

где Кй1 - коэффициент, учитывающий окружную деформацию в пятне контакта шины:

'ев '

Максимальное значение элементарной нормальной реакции, распределенной по длине пятна контакта, определим как:

с»

\| к^ * О г„ 11'. 2/ Г "

>1

'л

(2)

Рис. 1. Схема окружной деформации шины неподвижного колеса на плоской опорной поверхности

= К,

1д г1д

.а1.

«С

(3)

где К1Д - коэффициент, учитывающий степень повышения давления при деформации шины; Рщ - внутреннее давление в шине; К/ - коэффициент, учитывающий максимальную радиальную деформацию шины, определяемую величиной свободного радиуса колеса; Кь - коэффициент, учитывающий длину пятна контакта шины с плоской опорной поверхностью, определяемую величиной свободного радиуса колеса.

Элементарная нормальная реакция ДЛ2, при качении колеса, состоит из двух составляющих: Дй21 и ДД22- элементарная нормальная реакция, распределенная по длине пятна контакта шины в статическом и динамическом (при качении колеса) состоянии, соответственно. Она рассчитывается как сумма:

ДД2 = М21 + ДЯ22; (4)

Элементарная нормальная реакция в каждой точке пятна контакта шины в статическом состоянии Д/?21, определяется как:

дд = \ка ■ {х? ~ 7). если ДК21 < &Н2тах .

если Дй,, > АЙг.

(5)

где КА - коэффициент распределения нормальной реакции по длине пятна контакта; ^¡-текущее значение отрезка по длине пятна контакта.

Элементарная нормальная реакция в каждой точке пятна контакта в динамике, определяется как:

(6)

где КА - коэффициент, учитывающий трение в шине при её качении; Шк - угловая скорость колеса; а; - угол К01 (см. рис.2).

Элементарная продольная реакция в каждой точке пятна контакта определяется с учетом условий:

дд = + если + Дйх2) < ДЯ* ' И.

х 1 Дй2 ■ ¡1, если (АЙх1 + АЯх2)> ДДZ ■ ц ' (1)

где АИх1 - элементарная продольная реакция в каждой точке пятна контакта шины для колеса, работающего в ведомом режиме; АЯх2 - элементарная продольная реакция в каждой точке пятна контакта, вызванная действием тормозной силы; ¡л -коэффициент трения.

0),

"V

71

У/4.

•Г» ..

"■К У

Рис. 2. Расчетная схема качения колеса с эластичной шиной по плоской опорной поверхности

Величина продольной реакции,

распределенной по длине пятна контакта шины ведомого колеса ,

пропорциональна углу ак контакта шины с плоской опорной поверхностью:

АЯх1 = Сш • [агсзш(со5а,е • Iда¡) - аг]; (8) где Сш - радиальная жесткость шины.

Продольная реакция, распределенная по длине пятна контакта шины, вызванная действием тормозной силы:

ДКх2 = Кт ■ 5 • (ак + а;); (9)

где 5 - проскальзывание колеса относительно опорной поверхности. Проскальзывание относительно опорной поверхности определяется по формуле:

5 = 1-^-^-; (Ю)

V

Величину продольной реакции, действующей на колесо со стороны опорной поверхности, определим по формуле:

Я* = /оДЛ ««(<".); (П)

Величину нормальной реакции, действующей на колесо со стороны опорной поверхности, определим, как:

й, = /01дДД2(Ж); (12)

Коэффициент сцепления шины с плоской опорной поверхностью:

03)

к г

Вышеизложенные выражения (1-^13) позволяют рассчитывать и строить эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины с плоской опорной поверхностью и на их основе строить (<р- Б) - диаграммы.

Далее был разработан математический аппарат, позволяющий выполнить анализ процессов торможения колес АТС на площадочных стендах.

На первом этапе был проанализирован процесс взаимодействия шины тормозящего колеса АТС с площадкой стенда (рис.3.)

АТС представлено подрессоренной М и неподрессоренной т массами, у которые связанны между собой упругими элементами и

демпферами. АТС движется под действием силы инерции ^¡х и тормозящими колесами наезжает на площадку стенда (массой тс) в точке А. В пятне контакта шины действует реакция Демпфирующие и

упругие свойства шин представлены в виде упругого элемента и демпфера, а так же массой шины тш в зоне ее контакта.

Подргссореннля Нгполрг(<орпШ1)Я

Рис. 3. Схема процесса взаимодействия шины тормозящего колеса АТС с площадкой стенда

Для определения продольного замедления АТС, с использованием законов

механики, записано дифференциальное уравнение вида:

. (14)

¿Г ^;1(М+т)'

где п - количество колес АТС.

Математическое описание продольных колебаний масс АТС и площадок стенда составлено в виде системы дифференциальных уравнений:

d Х^ . . . . . ч

М ^ 2 = Спх(.Хп2 ~~ *„) — Спх(Хп — Хп1) + Кпх(Хп — Хп2) + Кпх[Хп1—Хп)]

d Хц . . . . . .

т = Сшх(Хн2 ~ *„) ~~ ^naft — *„l) + fttrft — + -^н) ~~

~~[Cnx(Xn2 ~ Xri) ~ — Хщ) + Knxfön ~ Хпг) + Knx(Xnl—(15) d2X

тш = ^mxÄ-^нг) ~ CuixC^m — + Кшх(Хи2—Хн) + Кпх(Хн-Хи1) — Rx;

mc ~ Ccxtyc2~Xc) ~ Ccx(Xс ~ ад + + ^(M) —

Составлено и математическое описание процесса вертикальных колебаний подрессоренных М, и неподрессоренных т масс АТС, и масс стенда тс вдоль оси OZ. Статические прогибы упругих элементов подвески, шины и жёсткостей стенда вычисляли по формулам:

Mg_

Сп ' * С„. Перемещения масс М, т и тс вдоль оси OZ, описаны системой дифференциальных уравнений:

dt' • ly

m—.^ = C,(Zl-Z,)-C1.(Z,-ZJ)-Ar,(Z,-Z1) + iC1,(Z3-Z,)-m-i ; (17) dr

A/„ = -

(.M+m)g .. (M +w + wc)g

4=---; A/C=-£-; (16)

где K„, Кш и Kc -коэффициенты демпфирования подвески, шины и стенда, [Н-с/м]; С,„ Сш и Сс -жесткости подвески, шины и стенда, [Н/м]; Zb Z2 и Z3 -координаты вертикального перемещения подрессоренной массы М, неподрессоренной массы гп и массы площадки Рис. 4. Схема для определения нормальной

стенда гпс. реакции Rz в процессе торможения колес оси

автомобиля на площадочном стенде Нормальную реакцию R- на площадке стенда определим как:

^=ксг,-ссг(17) Для расчета реализованной касательной реакции Кх использована полуэмпирическая модель шины Расе)ка Н.В. - Дика А.Б.

Решение дифференциальных уравнений производилось методом численного интегрирования Эйлера.

Третья глава посвящена разработке методик экспериментального исследования, направленного на разработку метода и оборудования для исследования процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины при взаимодействии с плоской опорной поверхностью.

В процессе разработки оборудования были проанализированы системные погрешности площадочных стендов, и на основе этого предложена конструкция датчика для исследования процессов в пятне контакта шины (рис. 5).

поверхностью (Патент № 2548643)

На основе датчика был разработан уникальный стенд для исследования процессов взаимодействия шины в пятне её контакта с плоской опорной поверхностью (рис. 6, 7, 8, 9). Опорная поверхность стенда выполнена в виде плоской площадки длиной 2 м, которая способна выполнять продольные перемещения с постоянной скоростью 1 м/с. Стенд содержит устройство для дискретного нагружения колеса нормальной нагрузкой, а также привод, позволяющий вращать колесо с заданной скоростью. Л-

Л Л

дзз

Рис. 6. Кинематическая схема стенда с Рис. 7. Общий вид стенда с плоской опорной плоской опорной поверхностью поверхностью

Разработанный стенд позволяет получать эпюры распределения нормальной и продольной реакции по длине пятна контакта при фиксированном значении проскальзывания шины относительно плоской опорной поверхности.

....../-

.д.

Ж

Рис. 8. Функциональная схема стенда с

плоской опорной поверхностью Рис. 9. Датчик, установленный в опорной

площадке стенда

Разработаны методики тарировки систем измерения и оценки системных погрешностей площадочного стенда. Представлены методики планирования экспериментов и оценки адекватности математической модели.

В четвертой главе приведены результаты исследования. Для оценки адекватности математических моделей были проведены экспериментальные исследования процессов взаимодействия шины с плоской опорной поверхностью, и с площадкой стенда. Установлено, что математическая модель адекватна и с высокой точностью моделирует результаты эксперимента.

Проведены исследования процесса торможения автомобильного колеса на площадках стенда. Выявлены два цикла колебаний тормозной силы, вызванных _!

П

Х, ММ К,,1Н у,|||

&

лА

Ли

Л

а) левое колесо

I ..]

х,.мм т 3-

лЛ

Уч.

Ал?

продольными колебаниями колесного узла с площадкой стенда (рис. 10.):

I - в момент наезда тормозящего колеса на площадку стенда (точка А графика рис. 10) происходит снижение продольной реакции

с Ях и последующий её рост с затухающими колебаниями. Погрешность измерения

тормозной силы при этом составляет 51 57%;

II в момент блокирования тормозящего колеса происходит срыв пятна контакта, который приводит к резкому снижению продольной реакции и вновь возбуждает продольные колебания. Величина погрешности при этом составляет 24^29%.

Анализ этих процессов показывает:

б) правое колесо Рис. 10. Графики процесса торможения колеса АТС с наездом на площадку стенда в точке «А»: а) левое колесо; б) правое колесо

Как видно из графиков (рис. 10.) до наезда на площадку стенда тормозная сила {реакции Лх) растет, а продольных колебаний колесного узла нет. В это время силовая цепь системы «Подрессоренная масса - Неподрессоренная масса - Колесо - Шина - Площадка стенда - Опорная поверхность» замкнута и находится в напряженном состоянии;

При переходе тормозящего колеса АТС с жесткой опорной поверхности на площадку стенда силовая цепь системы размыкается на участке «Площадка стенда - Опорная поверхность». Это ведет к резкому снижению напряженного состояния вышеуказанной системы, перемещению площадки в направлении движения АТС с последующими колебаниями колесного узла и тормозной силы. Аналогичный процесс происходит в момент блокирования колеса, когда продольная реакция Лх резко снижается.

Проведены экспериментальные и аналитические исследования с целью устранения и/или уменьшения погрешностей измерения тормозных сил на площадочных стендах. Их результаты представлены на рис. 11.

Е в<Ь...............- — - в

£ 2 50

» 3

£ « 40 й £ К ®

3 1 30 о.

и °

ё *20

6?,,= -12,225'1.й(\г)+б4.641

5 10 15 20

Скорость автомобиля V, м/с

а)

Время, от момента напала торможения то наезда на площадку, с

100 150 200 250 300

Ни рузка, приводящаяся на тормозящее колесо Ск, кг

Я -0,3

В)

5ц,= 488,74 Ду*-8Е-13-Ду +28,332

Кг=0.9962 I

-20-1-,-

-ол о 0,1 о,:

Боковое смещение, м

Г)

--Расчет ♦ - Эксперимент

Рис. 11. Погрешности измерения тормозных сил при варьировании: а) начальной скорости торможения АТС; б) интервала времени от момента начала торможения до наезда колес на площадки стенда; в) нагрузки, приходящейся на тормозящее колесо; г) бокового смешения тормозящих колес АТС относительно стенда и его площадок

Исследования показывают что, эти погрешности системные. Они вызваны недостатками конструкций площадочных стендов и не устранимы полностью. Как показывают рис. 11, эти погрешности можно только несколько уменьшить, варьируя режим торможения АТС и конструктивные параметры площадочных стендов. Но в совокупности эти системные погрешности измерения тормозных сил достигают ~50% и более.

Проведен анализ возможности устранения источника погрешности измерения тормозной силы на площадочных стендах - разрыва силовой цепи системы «Подрессоренная масса - Неподрессоренная масса - Колесо - Шина - Площадка стенда - Опорная поверхность» на участке «Площадка стенда - Опорная поверхность». На рис. 12 показана механика разрыва силовой цепи. Силовая цепь

размыкается, вызывая колебания колесных узлов АТС на площадках стенда, при условии:

¿п>£д (18)

где Ьп - длина площадки стенда; Ьл - длина пятна контакта шины.

Чтобы силовая цепь не размыкалась, и не возникали колебания,

необходимо выполнение условия:

¿„«¿д; (19) Оно гарантирует, что в момент нахождения шины тормозящего колеса на стенде, большая часть площади её пятна контакта будет

находиться на жесткой опорной поверхности. При этом разрыва силовой цепи, колебаний колесного узла и стенда не возникнет (рис. 13). На этой основе предложена конструкция датчика (рис. 5), который измеряет эпюры

элементарной продольной Д/?х и нормальной Д/?, реакций, распределенных по длине пятна контакта шины Патент № 2548643.

Выполнен анализ возможности применения этого датчика для измерения параметров, характеризующих тормозную эффективность и устойчивость при торможении АТС. Проведены экспериментальные и аналитические исследования возможности получения стационарных характеристик сцепления шин на основе использования эпюр распределения нормальных ДЛ2 и продольных Д/?х реакций по длине пятна контакта шины с плоской опорной поверхностью (рис. 14).

На основе полученных эпюр распределения Д/?2 и ДЛХ построены стационарные характеристики шин (<р- 5) - диаграммы (рис. 14). Разделив каждое значение ц> коэффициента сцепления (<р - 5) - диаграммы на <ртах получили нормированную/(^-диаграмму. График нормированной Д5) -диаграммы, является основной для расчетов коэффициентов модели шины Н.В. Расе)ка - А.Б. Дика.

Проведенные экспериментальные и аналитические исследования процесса торможения автомобильного колеса на плоской опорной поверхности позволили получать эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины с заданными значениями проскальзывания при варьировании нагрузки на колесо.

Рис. 12. Функциональная схема продольных и угловых колебаний в разомкнутой силовой цепи «Подрессоренная масса - Неподрессоренная масса -Колесо - Шина - Площадка стенда- Дорога» передней оси АТС, тормозящего на площадочном стенде

Авпмг

Жесткая опорная поверхность дороги

Рис. 13. Функциональная схема продольных и угловых перемещений в замкнутой силовой цепи «Подрессоренная масса АТС - Неподрессоренная масса - Колесо - Шина - Датчик - Дорога»на передней оси тормозящего АТС

Рис. 14. (<р- 5) - диаграмма, построена на основе эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины АпЦе1Р1апе1 175/65 И14 82Н при давлении воздуха 0,21 МПа, и износе шины 10%

Построены стационарные и нормированные характеристики сцепления шин. На их основе выявлены зависимости изменения основных коэффициентов т]5, /й, Бкр и <Ртах от нормальной нагрузки на тормозящее колесо Лг.

Установлено, что при увеличении нагрузки на колесо от 3,2 кН до 4,7 кН:

- Коэффициент «жесткости» проскальзывания г/5, снижается на 12%, при этом критическое проскальзывание Бкр увеличивается на 12%.

- Коэффициент снижения фрикционных свойств шины /б уменьшается в среднем на 6%;

- Максимальный коэффициент сцепления ртахнезначительно уменьшается 3%.

Проведенные исследования позволили установить, что использование эпюр

распределения нормальной и продольной реакции по длине пятна контакта шины, позволяет с высокой точностью получать ее стационарные характеристики сцепления при взаимодействии с плоской опорной поверхностью.

Проведенные исследования и выявленные закономерности позволили разработать и апробировать новый высокоинформативный метод контроля технического состояния тормозных систем АТС в условиях эксплуатации (рис. 15).

А V »

/ Ш * ! \ и »

1 г Г" 3 м п п

1 - >

Зона разгона АТС Зона торможения АТС Зона

Рис. 15. Участок дороги для контроля тормозных систем дорожным методом с дополнительным оборудованием: 1 - АТС; 2 - метка начала экстренного торможения АТС; 3 - нормативный коридор шириной 3 м; 4 - секции с датчиками для измерения сил в пятне контакта шины с плоской опорной поверхностью

Суть разработанного метода заключается в том, что в процессе контроля технического состояния тормозных систем АТС в дорожных условиях, измеряются эпюры (рис. 16) распределения нормальных ДЛг и продольных ДЛХ реакций по длине пятна контакта шин с плоской опорной поверхностью на каждом колесе. Это позволяет в дополнение к существующим параметрам оценки работоспособности тормозной системы АТС дорожным методом, получать силовые параметры: реализованные касательные реакции (тормозные силы) и нормальные нагрузки И уже на их основе определять такие параметры как удельная тормозная сила Ут и разность тормозных сил для каждой оси АТС по ГОСТ Р 51709-2001. Более того, измеренные на каждой оси касательные реакции Ях (тормозные силы) дают возможность идентифицировать тормозной механизм АТС, снижающий показатели его тормозной эффективности и/или устойчивости.

Рис. 16. Секция с датчиком для измерения сил в пятне контакта шины с

плоской опорной поверхностью, установленная в поверхность дороги в коридоре движения

Производственная проверка, результатов проведенного исследования выполнена в ЗАО «Компания «Новгородский завод ГАРО»» в г. Великий Новгород и в ОАО «Грузовое автотранспортное предприятие № 3» г. Улан-Удэ. Её результаты показывают, что благодаря высокой информативности разработанного метода потребность в проведении дифференциальной диагностики тормозных систем АТС, сократилась на 23%, а затраты времени на диагностику - на 7,3 %.

Экономический эффект от снижения объемов дифференциальной диагностики тормозных систем и снижения затрат времени пребывания АТС в зоне ТО и ТР, в расчете на единицу подвижного состава, составил: 172,54 руб/авт. Годовой экономический эффект при диагностировании 1914 единиц подвижного состава АТС в ОАО «ГАТП-3» составил: 330241,56 рубля.

Заключение

Диссертация является завершенным исследованием, содержащим решение задачи повышения информативности дорожного метода диагностики тормозных систем АТС в условиях эксплуатации на основе учета механики взаимодействия эластичных шин с плоской опорной поверхностью. По результатам исследования сделаны следующие выводы:

1. Разработанная математическая модель, позволяет исследовать механику взаимодействия пятна контакта эластичной шины тормозящего колеса АТС с плоской опорной поверхностью, с учетом радиальной деформации, жесткостей и демпфирований в шине, изменения нормальной нагрузки, коэффициента трения и проскальзывания элементов шины по длине пятна её контакта. Позволяет рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин на основе эпюр распределения продольной и нормальной реакции по длине пятна контакта шины с плоской опорной поверхностью, анализировать погрешности тормозных площадочных стендов и погрешности измерения сил на тормозящих колесах АТС.

2. В ходе проведенных исследований получены эпюры Л/?; = /Г£д) и А1{х= Д1.л) распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины с заданными значениями проскальзывания и нагрузки на тормозящее колесо. Доказана возможность построения на их основе стационарных характеристик сцепления шин (<р - 5) - диаграмм, а также нормированных ДБ) - диаграмм.

3. Выявлены основные коэффициенты математической модели шины Раечка Н.В. - Дика А.Б. и их зависимости от нормальной нагрузки на тормозящее колесо. Установлено, что при увеличении нагрузки на колесо от 3,2 кН до 4,7 кН:

- Коэффициент «жесткости» проскальзывания снижается на 12%, при этом критическое проскальзывание увеличивается в среднем на 12%.

- Коэффициент снижения фрикционных свойств шины /б уменьшается на 6%;

- Максимальный коэффициент сцепления <ртах снижается на 3%.

4. Установлено, что большинство погрешностей измерения тормозных сил на площадочных стендах носят системный характер и вызваны их конструктивными, технологическими и организационными особенностями. Констркуция площадочных стендов не позволяет в полной мере реализовывать принцип обратимости движения. В процессе наезда тормозящих колес на площадки стенда происходит разрыв силовой цепи «Подрессоренная масса - Неподрессоренная масса - Колесо - Шина - Площадка стенда - Опорная поверхность». При этом последовательно возникают два цикла продольных колебаний колесных узлов на площадках стенда. Первый цикл возникает при наезде шины торомзящего колеса на площадку стенда, второй цикл - при блокировании колес. Величина погрешности измерения тормозной силы связанной с первым циклом колебаний

достигает 51 н- 57%. Величина погрешности, связанной со вторым циклом колебаний достигает 24^29%. Их анализ показывает:

При увеличении начальной скорости торможения АТС от 2 до 70 км/ч погрешность измерения тормозных сил снижается от 56% до 27%;

При увилчении нагрузки на тормозящее колесо от 1000 до 3500 Н величина погрешности снижается от 44% до 25%;

При увеличении массы площадки стенда от 5 до 40 кг величина погрешности снижается от 70% до 30%;

При увеличении интервала времени от момента начала торможения до наезда колес на площадки стенда погрешность изменяется от 34% до 47%;

Не точности позиционирования колес АТС относительно площадок стенда вызывают погрешности измерения тормозных сил 15% и более.

Установлено, что большинство погрешностей измерения тормозных сил на площадочных стендах носят системный характер и неустранимы.

5. Выявленные закономерности позволили выполнить научное обоснование метода, повышающего информативность диагностики тормозных систем АТС в дорожных условиях. Метод основан на получении эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта тормозящего автомобильного колеса и позволяет в процессе контроля АТС в дорожных условиях определять одновременно продольную Rx и нормальную Rz реакции под каждым колесом.

В дополнение к существующим параметрам контроля работоспособности тормозной системы АТС в дорожных условиях разработанный метод позволяет определять силовые параметры, такие как удельная тормозная сила и коэффициент разности тормозных сил для каждой оси АТС. Конкретизировать элементы, снижающие показатели его тормозной эффективности и/или устойчивости, тем самым значительно повышать информативность дорожного метода, что способствует повышению безопасности автомобилей в условиях эксплуатации.

6. Результаты производственной проверки, выполненной в ЗАО «Компания «Новгородский завод ГАРО»» в г. Великий Новгород и в ОАО «Грузовое автотранспортное предприятие № 3» г. Улан-Удэ показывают, что благодаря высокой информативности разработанный метод позволяет сокращать потребность в проведении дифференциальной диагностики тормозных систем АТС, в среднем на 23%, и тем самым на 7,3 % сокращать затраты времени на их диагностирование.

Экономический эффект от снижения объемов дифференциальной диагностики тормозных систем и снижения затрат времени пребывания АТС в зоне ТО и TP, в расчете на единицу подвижного состава, составил: 172,54 руб/авт. Годовой экономический эффект при диагностировании 1914 единиц подвижного состава АТС в ОАО «ГАТП-3» составил: 330241,56 рубля.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

В изданиях из перечня ВАК Минобрнауки РФ

1. Федотов, А.И., Экспериментальные исследования процесса взаимодействия эластичного колеса с беговым барабаном и дорогой / А.И.Федотов, В.П. Халезов, A.B. Бойко // Вестник ИрГТУ. Вып. 9. - Иркутск. - ИрГТУ, 2012. - С. 157-163.

2. Халезов, В.П. Получение ((р-5) диаграммы на основе распределения касательных и нормальных реакций по длине пятна контакта шины в лабораторных условиях на плоской стальной опорной поверхности. // Вестник ИрГТУ. Вып. 5.- Иркутск.-ИрГТУ, 2015,-С. 131-135.

Патенты и свидетельства

3. Патент № 2548643 Российская федерация, МПК В60Т 17/22, G01L 5/28. Способ диагностирования тормозной системы автотранспортного средства и устройство для его осуществления / В.П. Халезов, А.И. Федотов, A.B. Бойко, Ле Ван Луан // Заявитель и патентообладатель ИрГТУ. - № 2014111733/11; заявл. 26.03.2014; опубликовано 20.04.2015, Бюл. № 11. - 10 с.

В научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов

4. Халезов, В.П. Комплекс для исследования взаимодействия в пятне контакта шины с поверхностью бегового барабана и дороги / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов // III Межд. научно-практ. конф. «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта», (Иркутск, май - июнь 2011). -Иркутск: Изд-во ИрГТУ. -С. 218-223.

5. Халезов, В.П. Метрологический комплекс для исследования процессов в пятне контакта эластичной шины с беговым барабаном и дорогой / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов // Сб. III Всерос. научно-практ. конф. «Авиамашиностроение и транспорт Сибири», (Иркутск, апрель 2013). -Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - С. 174-180.

6. Халезов, В.П. Экспериментальные исследования нормальных напряжений в пятне контакта эластичной шины с беговым барабаном и дорогой / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов // Сб. III Всеросс. научно-практ. конф. «Авиамашиностроение и транспорт Сибири», (Иркутск, апрель 2013). -Иркутск: Изд-во ИрГТУ. — С.181-187.

7. Халезов, В.П. Экспериментальные исследования нормальных касательных напряжений в пятне контакта эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью при перемещении колеса по беговому барабану / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов // Сб. 83-й научно-техн. конф. ААИ «Особенности эксплуатации автотранспортных средств в дорожно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. Проблемы сертификации, диагностики, контроля технического состояния», (Иркутск, сентябрь 2013). -Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - С. 263-268.

8. Халезов, В.П. Экспериментальные исследования нормальных касательных напряжений в пятне контакта эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана и плоской поверхностью дороги / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов // Сб. 83-й научно-техн. конф. ААИ «Особенности эксплуатации автотранспортных средств в дорожно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. Проблемы сертификации, диагностики, контроля технического состояния», (Иркутск, сентябрь 2013). - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - С. 269-277.

9. Халезов, В.П. Экспериментальные исследования нормальных напряжений по длине пятна контакта эластичной шины с беговым барабаном и дорогой / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов // Сб. науч. тр. Всеросс. науч.- практ. конф. с междунар. участием «Транспортные системы Сибири. Проблемы безопасности», (Красноярск, октябрь

2013). - Красноярск: Издательский центр СФУ. - С. 34-45.

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

11. Халезов, В.П. Анализ методов проверки тормозов в безопасности транспортных средств / А.И. Федотов, A.B. Бойко, В.П. Халезов, Марек Млинчак // Безопасность и надежность. Методология и приложения, Труды ESREL 2014, (Лондон, сентябрь

2014). - Лондон: Издательский CRC Press / Тейлор & Francis Group. - С. 933-937.

12. Халезов, В.П. Комплекс для измерения нормальных и касательных реакций, распределенных по длине пятна контакта эластичной шины / В.П. Халезов, A.B. Бойко, О.С. Яньков, A.C. Марков // Сб. ст. 90-й междунар. науч-

техн. конф. «Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера. Конструкция, эксплуатация, экономика», (Иркутск, апрель 2015). - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - С. 102-110.

13. Халезов, В.П. Модернизация комплекса для исследования процессов происходящих в пятне контакта эластичной шины / В.П. Халезов, A.B. Бойко, О.С. Яньков, A.C. Марков // Сб. ст. 90-й междун. науч.-техн. конф. «Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера. Конструкция, эксплуатация, экономика», (Иркутск, апрель 2015). - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - С. 110-115.

14. Халезов, В.П., «Методика экспериментальных исследований процесса взаимодействия эластичной шины с двумя цилиндрическими и плоской опорной поверхностями / В.П. Халезов, A.B. Бойко, О.С. Яньков, A.C. Марков // Сб. ст. 90-й междун. науч. - техн. конф. «Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера. Конструкция, эксплуатация, экономика», (Иркутск, апрель 2015). - Иркутск: Изд-во ИрГТУ.-С. 124-132.

Подписано в печать 7.09.2015. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 204. Поз. плана 9н.

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