автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение виброзащитных свойств шины за счет внутренней пневматической демпфирующей системы

На правах рукописи

СОКОЛОВ Александр Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ШИНЫ ЗА СЧЕТ ВНУТРЕННЕЙ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МАЙ 2014

.........................Волгоград - 2014

005548347

Работа выполнена на кафедре «Автомобильные перевозки» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рябов Игорь Михайлович.

Официальные оппоненты: Герасун Владимир Морисович,

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный аграрный университет, кафедра «Механика», профессор;

Клементьев Сергей Вениаминович, кандидат технических наук, доцент, ООО «ОРВИЛ», коммерческий директор.

Ведущая организация Пензенский государственный

университет архитектуры и строительства.

Защита состоится «27» июня 2014 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru по ссылке http://www.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-sovety/d-21202803.html.

Автореферат разослан « мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

т^г-^'—ТПяшенко Михаил Вольфредович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Шины являются единственными элементами АТС, взаимодействующими с опорной поверхностью. В настоящее время производится и эксплуатируется большое количество колесных бесподвесочных машин (КБМ): тракторов, комбайнов и других сельскохозяйственных, строительно-дорожных и специальных колесных машин, у которых защиту остова от вибрации, возникающей в результате взаимодействия колес с неровностями дороги, осуществляют только пневматические шины. При высокочастотном возмущении шины существенно ослабляют вибрации, а на резонансных частотах - резко усиливают (в 10 и более раз). Опыт эксплуатации КБМ и проведенные исследования показывают, что при выполнении транспортной работы они имеют недостаточную плавность хода и не обеспечивают соблюдение норм вибронагруженности оператора даже при движении по усовершенствованным дорогам. Причиной этого являются низкие виброзащитные свойства шин, которые обусловлены их слабой способностью поглощать энергию вертикальных колебаний кузова. Оператор для уменьшения действующей на него вибрации, а также для обеспечения безопасности движения вынужден снижать скорость движения машины, что ухудшает топливную экономичность, уменьшает производительность и эффективность ее использования. Колебания сельскохозяйственных машин, работающих на полях, увеличивают давление шин на почву, что снижает урожайность. При длительном воздействии вибрации у операторов машин часто возникают профессиональные заболевания, что снижает престижность их профессии. Из-за малой скорости КБМ создают заторы на дорогах, что приводит к повышению аварийности, снижению пропускной способности дорог и уменьшению эффективности функционирования автомобильного транспорта. С ростом числа КБМ проблема усугубляется. В связи с этим, тема диссертации, направленная на повышение виброзащитных свойств шины, является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. В работах профессора H.H. Яценко и других ученых установлено, что относительный коэффициент затухания, которым оценивается поглощающая способность шин, весьма мал. Для невращающихся шин он находится в пределах у = 0,03...0,05. С увеличением скорости качения машины, вследствие уменьшения влияния гистерезиса в материале шины на гашение вертикальных колебаний остова машины, относительный коэффициент затухания уменьшается еще в 3...5 раз. Требуемый по плавности хода оптимальный относительный коэффициент затухания должен быть у = 0,15...0,25. Таким образом, для повышения плавности хода и скорости движения КБМ необходимо повысить поглощающие свойства шин в 15 раз без увеличения коэффициента сопротивления качению. H.H. Яценко считал эту задачу очень важной, открывающей широкие перспективы использования КБМ, но невыполнимой.

В 1998 году профессор И.М. Рябов нашел конструктивное решение этой задачи и получил патент № 2108240 РФ, МКИ 6 В 60 С 17/00 на колесо транспортного средства, шина которого содержит внутреннюю пневматическую демпфирующую систему (ВПДС). Она выполнена в виде установленной на ободе с возможностью осевого вращения внутренней оболочки с усеченной нижней частью, полость которой сообщается с полостью шины через клапаны и дросселирующие отверстия.

Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту кафедры автоматических установок ВолгГТУ Алексею Владимировичу Поздееву за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.

Однако предложенное колесо было недостаточно исследовано, не были разработаны теория и методика оптимизации параметров элементов ВПДС, не было установлено, какое повышение виброзащитных свойств шины оно может обеспечить, а также не была исследована динамика внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний.

Цель диссертационной работы - выявление возможного повышения виброзащитных свойств шины за счет внутренней пневматической демпфирующей системы (ВПДС) при оптимизации параметров ее элементов и совершенствование этой системы.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи работы:

1) разработать математическую модель динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний, позволяющую оптимизировать параметры оболочки и гасителя;

2) определить закон изменения эффективной площади шины при ее радиальной деформации, необходимый для разработки модели шины с ВПДС;

3) разработать математическую модель шины с ВПДС, позволяющую выявлять виброзащитные свойства шин и влияние на них различных факторов;

4) разработать на базе релаксационной пневматической подвески физическую модель шины с ВПДС и физическую модель внутренней оболочки с динамическим гасителем, а также методики их исследования;

5) провести расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний и виброзащитных свойств шины с ВПДС и анализ полученных результатов;

6) разработать и обосновать предложения по совершенствованию конструкции колеса с ВПДС с целью повышения виброзащитных свойств шины и дать оценку эффективности практического использования колеса с повышенными виброзащитными свойствами.

Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые:

- введено понятие «эффективная площадь шины», и определен закон ее изменения при радиальной деформации шины;

- доказано, что динамическая статическая жесткости шины практически равны вследствие роста эффективной площади при сжатии шины;

- разработаны математические и физические модели, позволяющие выявлять виброзащитные свойства шины с ВПДС и оптимизировать параметры элементов ВПДС;

- обосновано новое техническое решение колеса с ВПДС (заявка № 2014100224 от 9.01.14), позволяющее повысить виброзащитные свойства шины.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке теории колеса с ВПДС.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработанные в диссертации положения теории представляют методологическую основу для проектирования колес с ВПДС для различных транспортных средств, в том числе военных машин;

- разработанные методики и результаты экспериментальных исследований по определению виброзащитных свойств обычных шин и шин с ВПДС доказали эффективность ВПДС и могут быть использованы для дальнейшего совершенствования этих систем;

- предложено и обосновано новое техническое решение колеса с ВПДС, позволяющие повысить виброзащитные свойства и возможности применения ВПДС;

- использование колес с ВПДС на различных транспортных средствах, в том числе военных, позволит повысить скорость их движения и снизить вибронагру-женность, что даст существенный экономический и социальный эффект РФ.

Методология и методы исследования. В диссертации применялись расчетно-теоретические и экспериментальные методы исследования с использованием стендовых и дорожных испытаний.

Положения, выносимые на защиту:

1) теория колеса с воздушной пневматической демпфирующей системой;

2) методики стендовых и дорожных испытаний по определению виброзащитных свойств шин и динамики элементов ВПДС с использованием физических моделей;

3) результаты расчётно-теоретических и экспериментальных исследований виброзащитных свойств шин и динамики элементов ВПДС и их анализ;

4) разработанные с участием автора новые технические решения, позволяющие повысить виброзащитные свойства шин с ВПДС.

Достоверность и обоснованность полученных результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений термодинамики и теоретической механики, в частности теории колебаний, математической теории оптимального управления, стендовыми и дорожными испытаниями объектов исследования с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры, согласованием полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований.

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях; XII и XIII региональных конференциях молодых учёных (Волгоград, 2007 и 2009 г.), на XIII международной отраслевой научно-практической конференции «Россия периода реформ» (20 - 22 мая, Волгоград, 2009), на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ в 2007-2014 гг.

Реализация работы. Результаты исследований используются при подготовке студентов по специальностям 190700 «Автомобильные перевозки», 190702 «Организация и безопасность движения».

Публикации: Содержание основных положений диссертационной работы опубликовано в ниже перечисленных 11-ти публикациях, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 1-м патенте РФ.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных результатов и заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 149 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 11 таблиц. Список использованной литературы включает 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены: актуальность темы исследования; степень ее разработанности; цель и задачи; научная новизна; теоретическая и практическая значимость работы; методы исследования; положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации результатов.

Первый раздел посвящен обзору и систематизации известных исследований и патентных материалов по решаемой в диссертации задаче. Исследованиями выходных характеристик шин и моделированием пневматических занимались многие ученые, как в России, так и за рубежом: Бидерман В.Л., Бочаров Н.Ф., Вольская Н.С., Кнороз В.И.. Котляренко В.И., Левенков Я.Ю., Митянин П.И., Гала-шин В.А., Гордон Р.К., Гусев В.И., Жеглов Л.Ф., Розов O.A. Русанов P.A., Рыков С.П., Рябов И.М. и др. Анализ литературных источников показал следующее. Для оценки поглощающих свойств шины получила распространение эллипгическо-степенная модель вязкостного сопротивления, использование которой приближает расчетные статистические характеристики происходящих процессов к аналогичным характеристикам, полученным из наблюдений и измерений в натурном эксперименте. Поглощающая или демпфирующая способность шины определяется количеством механической энергии, преобразованной в ее материале в тепловую энергию при деформации. Она может оцениваться коэффициентом динамичности резонансных колебаний или относительным коэффициентом затухания, который для невра-щающихся шин находится в пределах = 0,03...0,05. Вращение шины до скорости, характерной для колесных тракторов на сельскохозяйственных работах (10 км/ч), приводит к снижению ее поглощающих свойств в еще 4-5 раз. Резкое усиление колебаний массы па шине в резонансе демонстрирует график на рис. 1.

Таким образом, шины обладают очень низкой демпфирующей способностью, что создает проблему плавности хода КБМ. Поэтому необходимо изыскать возможность повысить демпфирующую способность шин при вертикальных колебаниях в 10 - 15 раз, чтобы приблизиться к требуемому оптимальному значению = 0,25 без увеличения коэффициента сопротивления качения. Причем, демпфирующие свойства шины не должны снижаться при росте скорости качения шины.

Эту проблему может решить изобретенное профессором И.М. Рябовым колесо транспортного средства (патент № 2108240 РФ, МКИ 6 В 60 С 17/00), которое содержит внутреннюю пневматическую демпфирующую систему (ВПДС) (рис. 2).

Рис. 1. Расчётные амплитудно-частотные характеристики гармонических колебаний массы на невращающейся шине:

- при фактическом относительном коэффициенте затухания у = 0,05;

- при требуемом оптимальном = 0,25

В колесе с ВПДС (рис. 2) на ободе 1 внутри шины 2 с возможностью осевого вращения установлена внутренняя оболочка 3 с усеченной нижней частью 4, полость А которой сообщается с полостью шины Б через клапаны и дросселирующие отверстия, установленные в гнездах 5. Для снижения трения между оболочкой и ободом служат ролики 6. Центр масс оболочки 0| расположен ниже оси вращения колеса О,

что удерживает ее от вращения. В нижней части оболочки имеется гаситель крутильных колебаний в виде тороидального канала 7 с металлическими шарами 8. которые при колебаниях катятся по поверхности 9 и гасят энергию колебаний за счет трения. Оболочка имеет округления 10 для предотвращения касания внутренней поверхности шины при крутильных колебаниях, разгоне и торможении.

3

Рис. 2. Колесо с внутренней пневматической демпфирующей системой (ВПДС):

А - полость оболочки: Б - полость шины: О - ось вращения колеса: 0| - центр масс оболочки: I - обод; 2 - шина: 3 - эластичная оболочка: 4 - усеченная часть оболочки: 5 - гнезда с клапанами и дросселирующими отверстиями: 6 - ролики; 7 - полость гасителя крутильных колебаний оболочки; 8 - металлические шары; 9 - поверхность качения шаров; 10 - округления оболочки

Предложенное колесо способно повысить виброзащитные свойства шины за счет воздушного демпфирования, которое не зависит от скорости вращения колеса. Однако для создания колеса с ВПДС необходимо разработать его теорию и выявить возможности повышения демпфирующих свойств шины за счет 1511ДС при оптимизации параметров ее элементов.

Второй раздел посвящен разработке основ теории колеса с ВПДС и состоит из 4-х этапов. На первом этапе разработана математическая модель динамики внутренней оболочки с маятниковым гасителем крутильных колебаний (МГКК). Расчетная схема динамики внутренней оболочки с МГКК приведена на рис. 3. При разработке математической модели для упрощения расчетной схемы приняты следующие допущения:

- оболочка представлена в виде диска массой М д и радиусом :

- МГКК представлен в виде маятника с трением в шарнире А.

Крутильные колебания внутренней оболочки колеса с МГКК как системы с

двумя степенями свободы, положение которой определяется двумя угловыми координатами ф, и ф,. отсчитываемыми от положения устойчивого равновесия, можно описать уравнениями динамики, составленными на основе уравнений Ла-гранжа 2-го рода:

Рис. 3. Расчетная схема динамики внутренней оболочки колеса с гасителем крутильных колебаний: Мл - масса оболочки; Rs - радиус диска, эквивалентного оболочке; т - массы грузов гасителя (шаров); R - расстояние от груза т до центра качания маятника; кл - коэффициент неупругого сопротивления вращению в шарнире А; ср, - угловая координата оболочки колеса и, соответственно, закрепленного груза; ф, - угловая координата гасителя колебаний; /- длина маятника

•А,Ф, -*/y"lj<i>i -mgrq, +kA\j-ljip2 +mgn?2 =0,

/ i I •> g

\ J„-ф, + (■/„ +mr)k,~— ф, +(У„ +mr)~ ф2 - ,,}

r " nur r

1 , ■ J» ■■

-(•/„ +mr)kA — ф, +кл ф, -mgrф, -kA ф2 =--x

mir r

Данная модель позволяет проводить оптимизацию параметров МГКК внутренней оболочки колеса с ВПДС. Для решения системы дифференциальных уравнений (7) была разработана специальная программа. Результаты расчетов и сопоставление их с результатами экспериментов даны в главе 4.

На втором этапе введено понятие «эффективная пчощадь шины F3ф». Это площадь, произведение которой на давление воздуха в шине равно внешней нагрузке за вычетом нагрузки, воспринимаемой покрышкой. При радиальной деформации шины /*"эф увеличивается, поэтому шина может воспринимать все большую нагрузку, несмотря на то. что при этом давление в шине повышается незначительно (рис. 4, б). Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что жесткость шины определяется в основном функцией а не ростом давления при радиальной деформации. Для определения закона изменения эффективной площади шины при радиальной деформации на динамическом стенде были получены статические упругие характеристики Рн(к) пневматической шины (рис. 4. а) и зависимости изменения давления р„(к) (рис. 4. б). Закон определялся по двум методикам (рис. 5).

0,025 0.050 0.075 0.100 а

0.025 0.050 0.075 0.100 б

I. м

Рис. 4. Экспериментальные статические упругие характеристики Р„Ш пневматической шины 8,40-15 автомобиля УАЗ-450Д (а) и зависимости изменения давления р„(\) в шине (б) при радиальной деформации и различном начальном давлении:

1. \'-Р„(к). Л,срШ при /),„) = 0,15 МПа: 2,2' - Р„Ш, Р».срШ Р»о = 0.\ МПа

Р, Ф(Х.),

0.02 0.05 0.07 0.100

X. м

Рис. 5. Зависимости эффективной площади /'\фШ в шине 8,40-15 автомобиля УАЗ-450Д н площади ее контакта с плоской опорной поверхностью при вертикальной деформации п различном начальном давлении /',,«:

1. 1' - ^эф(Х) при рт<| = 0,15 МПа:

2. 2' - Г,Ф(Х) при рт = 0.1 МПа: 3 — при/;„,, = 0.1 МПа:

1.2- /ЧфСА.) рассчитана но методике 1: 1.2- Р,ф(Х.) рассчитана по методике 2

Первая методика учитывает то. что сила упругости покрышки Рп(X) составляет определенную долю от РН(Х) (для исследуемой шины - 12,5 %). Тогда

рЛЧ

Вторая методика основана рекомендации В.Л. Бидермана о том, что для различных шин покрышка создает силу, эквивалентную снижению давления в шине на/>ц = 0.01 - 0.03 МПа в зависимости от жесткости каркаса

РЛЧ+Р»

Из анализа рис. 5 можно сделать важный вывод, что эффективная площадь шины при радиальной деформации изменяется по линейному закону.

На третьем этапе проведен анализ статической и динамической жесткости шины. Установлено, что отношение динамической и статической радиальной жесткости шины практически равно единице (к = 1,007), несмотря на то, что процесс сжатия воздуха в шине адиабатический с показателем п = 1,4. Это объясняется с тем, что при сжатии шины ее эффективная площадь быстро увеличивается по линейному закону, а давление повышается медленно. Из установленного соотношения динамической и статической жесткости шины следуют важные выводы:

- в расчетах плавности хода можно использовать статическую жесткость шины:

- нельзя существенно снизить жесткость шины путем присоединения к ней дополнительного объема:

- нельзя создать эффективную систему внешнего пневматического демпфирования путем присоединения к шине дополнительного объема с клапанами и дроссельными отверстиями.

Четвертый этап посвящен разработке математической модели шины с пневматической демпфирующей системой для выявления ее виброзащитных свойств. Расчетная схема колеса с В11ДС приведена на рис. 6. Рабочий процесс в данном колесе за период колебаний можно разделить на два основных режима: сжатие и отбой шины.

При сжатии шины сопротивление перетеканию воздуха из полости шины в полость внутренней оболочки мало вследствие работы клапана, поэтому давление в полостях практически одинаковое, т. е. = р2.

С использованием уравнения первого начала термодинамики для сжатого воздуха в шине после соответствующих преобразований и разделения переменных с учётом уравнения движения корпуса машины получена система дифференциальных уравнений, описывающих рабочий процесс колеса с ВПДС в режиме сжатия шины:

1 - шина; 2 - обод; 3 - невращающаяся при качении колеса оболочка; 4 - клапан; 5 -дроссельное отверстие; У\ - рабочий объем шины; V? - объем полости оболочки

Рис. 6. Расчетная схема колеса с ВПДС:

Р\ =

V,,, + /\ф(г0-<у) + V, |_3600 С ^СЯ

к- 1__о^ Ф, ( Ру,

кр^эфИ о

V + р + и ' К1(> Т Г )ф Т у2

где М - масса корпуса безрессорной машины, V,,, - величина рабочего объёма при статической деформации шины, zCI - статическое перемещение опорной площадки шины, г0 - перемещение оси колеса, а, - приведённый коэффициент теплопередачи между воздухом в шине и окружающей средой, Ф, - внутренняя поверхность теплообмена шины, Тс - температура окружающей среды, Ко - неупругое сопротивление шины; с_ - параметр шины, характеризующий зависимость её эффективной площади от деформации.

Аналогично была получена система уравнений, описывающая рабочий процесс колеса с воздушным демпфированием при отбое шины:

= (Р,- (¿„ -<7).

М м

р I =

к />, Уг

Рц, (г„ -ч)

С, -3600

р I

С, Я

(к-1)-

(5)

Р2 =-

С, ■ 3600

ч)

(I'<-!)■

\

7",

С, К V,

кр, о\

ц Я Н.

2 У

Для решения систем (10) и (11) необходимы следующие уравнения связи: > 1

V ( п V ' 4

+ С, = у.

/

С,=у1(

I 20

V /'II) У

Рг

V /'21) У

Ри,

V .

(6)

а У

где уи) и у,,, - удельный вес воздуха в объемах шины и оболочки в статическом положении, уа - удельный вес воздуха при атмосферном давлении.

Величина силы воздушного демпфера определяется умножением разности давлений в рабочем объёме шины (между нагрузочной и разгрузочной ветвями рабочей характеристики шины) на эффективную площадь шины, закон изменения которой задается параметром шины е..

Результаты расчетов колебаний массы на колесе с воздушным демпфированием по специально разработанной программе приведены в разделе 3.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований виброзащитных свойств шины и динамики внутренней оболочки с МГКК. 11а первом этапе проведены стендовые испытания шины трактора «Беларусь» на динамическом стенде (рис. 7, а). В результате испытаний получены амплитудно-частотные характеристики (рис. 7, б), анализ которых позволяет подтвердить вывод о том (рис. 1, кривая 1), что даже невращающаяся шина имеет очень низкие виброзащитные свойства, поскольку амплитуда колебаний массы на шине в области резонанса увеличивается по сравнению с амплитудой кинематического возмущения более чем в 10 раз.

На втором этапе для исследования виброзащитпых свойств шины с ВПДС была создана ее физической модель, выполненная на базе пневматической рессоры с ресивером (рис. 8, а), которая испытывалась на динамическом стенде (рис. 8, б).

а б

Рис. 7. Вид шины трактора «Беларусь» на динамическом стенде (а) и АЧХ размахов колебаний груза массой 700 кг на шине при различном начальном давлении (б):

1 -р» = 0.1 МПа: 2 - />„ = 0,15 МПа: 3 -р„ = 0.20 МПа: 4 -р„ = 0.26 МПа

Рис. 8. Вид установленной на стенде физической модели шины с В11ДС (а) и динамического стенда (б): I - пневматическая рессора: 2 - траверса стенда; 3 - ресивер

Ресивер 3 имитирует объём оболочки (У2 на Рис- 6)- а пневморессора 1 - рабочий объем шины (VI на рис. 6). Таким образом, физическая модель шины с ВПДС представляет собой релаксационную подвеску с пневматическим демпфированием, которое осуществляет клапанный блок, установленный между полостями ресивера и пневматической рессоры. На рис. 9 представлены экспериментальные ЛЧХ размахов колебаний массы на физической модели шины с классическими воздушными демпферами (с дросселем и обратным клапаном) и с демпфером, оптимально регулируемым.

Анализ полученных на стенде АЧХ показывает, что наилучшие виброзащитные свойства шины с ВПДС обеспечиваются при максимально возможном увеличении объема оболочки и использовании воздушного демпфера с оптимальным алгоритмом регулирования. При этом достигается относительный коэффициент затухания. равный 0.24. что соответствует оптимальному значению для подвесок грузовых АТС с гидроамортизаторами, равному 0.25 (рис. I. кривая 2).

2А,

мм / 1 1 Подрессоренная масса

70

60 М- 1,5 т; М 2

50 ^ 1 Статическое давление

40' ¡1 р„ = 0,32 МПа;

30

20 '. \\

10

о I 2 3 4 5 6 со, Гц

Рис. 9. Экспериментальные АЧХ размахов абсолютных колебаний массы на физической модели шины с различными воздушными демпферами: 1 с дросселем диаметром 5 мм и обратным клапаном: 2-е увеличенным объемом ресивера, дросселем диаметром 6 мм и обратным клапаном; 3 - с демпфером, который регулируется по оптимальному алгоритму

Теоретические исследования виброзащитных свойств шины с ВПДС поводились в несколько этапов. 11а первом этапе была доказана адекватность математической модели. 11а втором этапе проведено исследование влияния различных факторов на виброзащитные свойства шины трактора «Беларусь». Они оценивались коэффициентом динамичности К резонансных колебаний, который определялся из осциллограмм колебаний массы на шине (рис. 10 -11). Анализ результатов теоретических исследований показал, что установка В11ДС с оптимальными параметрами в шины трактора «Беларусь» настолько повышает ее виброзащитные свойства, что коэффициент динамичности снижается в 3,25 раза с К = 19,5 до К = 6. Рекордный результат К = 3 (= 0,18) дает применение ВПДС в шине трактора «Кировец».

шине без ВПДС: \\1 = 0,021; v„ = 2,5 Гц-, А = 0,0125 м; Уд = 0 ; К = 19,5

I - перемещение профиля; 2 - перемещение массы; 3 и 4 - скорость и ускорение

массы

Рис. 11. Расчетная осциллограмма резонансных колебаний массы на вращающейся шине с оптимальной ВПДС: у = 0,021; V,, = 2.6 Гц: Л =0.0125.«: Уд =0.24 м\ Алгоритм: с = стах при ¿(г - у) ^ 0. с = с||1|п при ¿(г -<?) <0: к = ь

Теоретические исследования динамики внутренней оболочки с МГКК проводились путем расчетов по разработанной программе системы уравнений (1). Получены осциллограммы процесса колебаний оболочки, одна из которых приведена на рис. 12. Анализ осциллограмм показал, что гаситель эффективно гасит первое колебание, а последующие малые колебания практически не гасятся. Это объясняется тем. что при малых колебаниях в МГКК практически прекращается диссипация энергии гасителем, поскольку шарнир А блокируется, а трение в оси О (рис. 3) не учитывалось. Однако колебания с небольшой амплитудой не влияют на работоспособность колеса с ВПДС.

I

5> 'О 3" а

^ С1, .

^ , ^

5Г к с

о

3 ,1

од *о

ооо -10

\

\ к\ /?С \ Л С\.

\ 6 У/ ' 7 V 4 У 4

Время, с

Рис. 12. Расчетная осциллограмма крутильных колебаний оболочки с МГКК после торможения автомобиля юзом

Для проведения дорожных испытаний МГКК была создана его физическая модель (рис. 13). Исследования проводились в режимах экстренного разгона, движения по разбитой грунтовой дороге и торможения автомобиля. Для получения осциллограмм (рис. 14) использовался метод скоростной фотосъемки.

Рис. 13. Вид физической модели динамическою гасителя крутильных колебаний внутренней оболочки шины на вращающейся части декоративного колпака колеса автомобиля:

1 - невращающаяся относительно автомобиля часть вставного декоративного колпака; 2 -шланг с металлическими шарами внутри, имитирующий гаситель; 3 - стрелка; 4 - шкала.

а

51 -о й 3 си о, 5 ^

а

® «О О О

ч

Время, с

Рис. 14. Экспериментальная осциллограмма колебаний физической модели оболочки с гасителем крутильных колебаний

Сравнение расчетной и экспериментальной осциллограмм (рис.12 и 14) показало хорошую сходимость результатов расчета и эксперимента, что подтверждает адекватность модели. В процессе теоретических исследований и испытаний были выявлены оптимальные параметры МГКК (момент инерции и число шаров).

Четвёртый раздел посвящен разработке и обоснованию предложений по совершенствованию конструкции колеса с ВГ1ДС и оценке эффективности практического использования колеса. Па основе проведенных исследований была усовершенствована его конструкция (рис. 15).

Повое колесо (заявка на патент РФ № 2014100224 от 9.01.14, заявитель ВолгГТУ, авторы И. М. Рябов, А. В. Поздеев, А. Ю. Соколов) отличается от известного колеса с 1311ДС тем, что оболочка 3 в нижней части 4 выполнена разъемной с возможностью соединения с помощью замка 8, причем на ней установлен, по крайней мере, один металлический элемент, выполненный в виде ролика 6, который взаимодействует с магнитом 7, установленном на транспортном средстве. Поскольку оболочка удерживается от вращения магнитом, она не поворачивается относительно корпуса машины при разгоне, движении и торможении. Это позволяет увеличить ее объем и повысить виброзащитные свойства шины для вертикальных колебаний. Кроме того, разъемная конструкция оболочки позволяет устанавливать её в колесе с неразборным ободом, что значительно расширит возможности использования ВГ1ДС на различных транспортных средствах.

3

4

8

Рис. 15. Усовершенствованное колесо транспортного средства с ВПДС:

I - обод; 2 - шина: 3 - оболочка: 4 - усеченная часть: 5 - ролики: 6 - металлический ролик; 7 - магнит, закрепленный на машине; 8 - замок

Расчёт годового экономического эффекта от внедрения колес с ВПДС на автосамосвалах БелАЗ показал, что благодаря увеличению скоростей движения, упрощению конструкции и повышению надежности, он составляет 534294 руб. на одну машину при пробеге 150 тыс. км.

1. На основе выполненных исследований решена научно-практическая задача значительного повышения низких виброзащитных свойств шины за счет внутренней пневматической демпфирующей системы (ВПДС). что очень важно для повышения безопасности и эффективности различных машин. Актуальность диссертационной работы определяется ее связью со вторым этапом Национальной стратегии повышения безопасности дорожного движения (на период с 2011 до 2020 года), в котором предусмотрено повышение безопасности автомобилей и перевозок.

2. Разработана теория колеса с ВПДС. включающая:

- математическую модель динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных колебаний, позволяющую оптимизировать параметры гасителя:

- установление закона изменения эффективной площади шины при радиальной деформации:

- оценку соотношения динамической и статической жесткости шины:

- математическую модель шины с ВПДС. позволяющую оптимизировать параметры ВПДС.

3. Выявлено, что соотношение динамической и статической жесткости шины близко к единице, из чего следуют важные выводы:

- в расчетах плавности хода можно использовать статическую жесткость шины;

- нельзя существенно снизить жесткость шины путем присоединения к ней дополнительного объема:

- нельзя создать эффективную систему внешнего пневматического демпфирования путем присоединения к шине дополнительного объема с клапанами и дроссельными отверстиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

4. Разработаны физические модели шины с ВПДС и внутренней оболочки с динамическим гасителем крутильных колебаний, использование которых позволяет сократить затраты на исследование.

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования динамики внутренней оболочки с гасителем крутильных и виброзащитных свойств шины с ВПДС, хорошая сходимость результатов которых, подтвердила правильность разработанных положений теории колеса с ВПДС. Установлено, что ВПДС в шине трактора «Беларусь» повышает ее виброзащитные свойства, амплитуда колебаний в резонансе уменьшается в 3,25 раза. Наилучший результат по повышению виброзащитных свойств (относительный коэффициент затухания у = 0,18) даёт применение ВПДС с оптимальными параметрами в шине трактора «Кировец».

6. Разработанная на уровне изобретения усовершенствованная конструкция колеса с ВПДС с повышенными виброзащитными свойствами шины без увеличения сопротивления качению может быть использована не только на бесподвесочных машинах, но и на различных армейских автомобилях, мобильных ракетных комплексах и карьерных автосамосвалах.

7. Расчетный экономический эффект от внедрения колес с ВПДС на автосамосвалах БелАЗ за счет увеличения скоростей движения, упрощения конструкции и повышения надёжности составляет 534294 руб. на одну машину при пробеге 150 тыс. км.

Основные материалы диссертации опубликованы в ниже перечисленных 11-та публикациях, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 1-м патенте.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Рябов И. М. Математическая модель колеса с пневматической демпфирующей системой для бесподвесочных машин / И. М. Рябов, К. В. Чернышов, А. Ю. Соколов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Вып. 2 №8. - С. 51-53.

2. Рябов И. М. Колесо с внутренней пневматической демпфирующей системой и исследование его динамического гасителя / И. М. Рябов, А. В. Поздеев, А. Ю. Соколов, Н. Н. Малинин // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы ". Вып. 8: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. -№3(130).-С. 37-41.

3. Поздеев А. В. Виброзащитные свойства релаксационной подвески с инерционным демпфирующим устройством и комбинированным соединением дополнительных упругих элементов / А. В. Поздеев, И. М. Рябов, А. Ю. Соколов, А. С. Митрошенко, Д. А. Чумаков // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 8: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. -№3(130).-С. 30-33.

Патент РФ:

4. Пат. 2313014 Россия, МПК Р 16 Б 7/10 и др. Амортизатор / И.М.Рябов, К. В. Чернышов, В. В. Воробьев, А. Ю. Соколов; ВолгГТУ. - 2007.

Прочие публикации:

5. Соколов А. Ю. Экспериментальная установка для исследования колеса с пневматическим демпфированием / А. Ю. Соколов, И. М.Рябов // XII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 13-16 ноября 2007 г.: тез. докл. / ВолгГТУ и др.- Волгоград, 2003. - С. 81 - 82.

6. Рябов И. М. Физическая модель динамического гасителя крутильных колебаний внутренней оболочки колеса с воздушным демпфированием и результаты ее исследования / И. М. Рябов, А. Ю. Соколов, Н. Н. Малинин., Д. А. Голубев // Прогресс транспортных средств и систем - 2009: матер, междунар. науч.-практ. конф., 13-15 октября 2009 г.: в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.] - Волгоград, 2009. -С. 62-63.

7. Рябов И. М. Математическая модель динамического гасителя крутильных колебаний внутренней оболочки колеса с воздушным демпфированием / И.М. Рябов, К. В. Чернышов, А. Ю. Соколов, Н. Н. Малинин // сборник «Россия периода реформ»: Материалы XIII международной отраслевой научно-практической конференции (20 - 22 мая) Волгоград 2009. - С. 203 - 208.

8. Ковалев А. М. Снижение вибронагруженности АТС путём введения частотно-регулируемого амортизатора / А. М. Ковалев, А. Ю. Соколов, И. М. Рябов, К. В. Чернышов // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.): тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 72 - 73.

9. Рябов И. М. Обоснование направлений и уровней улучшения свойств колеса с пневматической шиной для повышения плавности хода бесподвесочных машин / И. М. Рябов, А. В. Поздеев, В. Д. Гудков, А. Ю. Соколов, Н. Н. Малинин // Шина плюс: всеукраинский журнал. - 2013. -№4. С. 8 - 10.

Ю.Рябов И. М. Устройство и работа колеса с воздушным демпфированием вертикальных колебаний кузова бесподвесочных машин /, И. М. Рябов, А. В. Поздеев, В. Д. Гудков, А. Ю, Соколов, Н. Н. Малинин // Шина плюс: всеукраинский журнал. - 2014.-№1. С. 8 - 10.

11. Изменение давления и объема пневматической шины при ее вертикальной деформации/ В. А. Полянская, А. Ю. Соколов, Н. Н. Малинин, А. В. Поздеев, И. М. Рябов // XVIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 5-8 нояб. 2013 г.): тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2014. - С. 59 - 61.

1 О

1 О

Подписано в печать 29.04.2014 г. Заказ № 272. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,25. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005 Волгоград, просп. В. И. Ленина, 28, корп. 7.