автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Разработка методики прогнозирования давления в шинах АТС и повышение его стабильности в эксплуатации за счёт использования внутреннего газопроницаемого пневматического аккумулятора

Гечекбаев Шихмагомед Джамалдинович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ШИНАХ АТС И ПОВЫШЕНИЕ ЕГО СТАБИЛЬНОСТИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ГАЗОПРОНИЦАЕМОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО АККУМУЛЯТОРА

05.22.10 - «Эксплуатация автомобильного транспорта»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОсВ Жй

Волгоград -2011

005010613

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» Махачкалинского филиала Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Рябов Игорь Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Славуцкнй Виктор Михайлович; кандидат технических наук, доцент Сергеев Александр Павлович

Ведущая организация

Саратовский государственный технический университет (СГТУ)

Защита состоится 17 февраля 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, проспект Ленина 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан “ 16 " января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ожогин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе эксплуатации автотранспортных средств (АТС) давление в шинах постепенно изменяется вследствие различных причин. Воздух из шины может вытекать через ниппель и через соединение бескамерной шины с ободом. Однако даже если указанные утечки отсутствуют, давление в шинах автомобиля, в том числе и запасном колесе, все равно постепенно изменяется, причем не только уменьшается, но и увеличивается под действием таких эксплуатационных факторов как температура, давление атмосферного воздуха, особенно в горных условиях. Кроме того, материалы шины газопроницаемы, вследствие чего постоянно идет диффузия заправленного в шину газа в атмосферу. Поэтому для организации научно обоснованного обслуживания шин и проверки способов повышения стабильности давления необходима разработка методики прогнозирования давления в шинах с учетом эксплуатационных факторов. Опубликованная в литературе статистическая информация свидетельствует о том, что в России и за рубежом не осуществляется регулярный контроль давления в шинах. Европейские производители шин провели обширные исследования давления в шинах различных автомобилей в процессе эксплуатации и выявили, что только 20% автомобилей имеет нормативное давление в шинах. Недостаточное давление было установлено у 60% машин, а избыточное — у остальных 20%. В Российской Федерации лишь у 15% автомобилей давление воздуха в шинах соответствует нормативному значению. Годовые финансовые потери только из-за перерасхода топлива, вызванного недостаточным давлением в шинах, в масштабах РФ исчисляются в миллиардах рублей. Кроме того, из-за ненормативного давления шины изнашиваются быстрее, что также увеличивает затраты на эксплуатацию автомобилей и ухудшает экологичность автомобилей, поскольку при повышенном износе шин увеличиваются выбросы вредной пыли. За рубежом фирмы Goodyear Tire & Rubber Со и Siemens VDO Automotive и др. разработали различные системы контроля давления в шинах, однако эти системы только контролируют, но не стабилизируют его. Поэтому тема диссертации, направленной на стабилизацию давления в шинах автотранспортных средств, является актуальной.

Целью работы является разработка методики прогнозирования давления в шинах и повышение его стабильности в эксплуатации за счёт использования внутреннего газопроницаемого пневматического аккумулятора давления (ВПГА).

Научная новизна:

1. Разработана методика прогнозирования давления в шине, основанная на математическом моделировании процессов в шине с учетом эксплуатационных факторов (температуры, диффузии газа в атмосферу, атмосферного давления), и дана оценка степени влияния этих факторов.

2. Научно обоснована возможность повышения стабильности давления в шинах за счёт использования ВПГА.

3. Разработана математическая модель процесса диффузии газа из шины, содержащей ВПГА, и методика выбора его рациональных параметров, позволяющая обеспечить максимальное увеличение периода восстановления давления для различных шин и условий эксплуатации.

Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту Константину Владимировичу Чернышову за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработанная методика прогнозирования давления в шинах АТС с учетог условий эксплуатации позволяет научно обоснованно назначать периодичность вое становления давления, что позволит повысить стабильность давления в шинах, и пробег и улучшить топливную экономичность АТС.

2. Теоретически и экспериментально обоснованный способ стабилизации дав ления в шинах путем использования ВПГА обеспечивает увеличение периода вое становления давления в шине в 17 раз и более, что при внедрении даст значительны! экономический эффект.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

• методика прогнозирования давления в шинах автомобиля с учетом эксплуа тационных факторов;

• обоснование способа повышения стабильности давления в шине, включаю щее математическую модель процесса диффузии газа из шины с ВПГА и результать теоретических исследований и экспериментальных исследований газопроницаемост) шинных материалов и шин;

• анализ неэффективных затрат на шины, вызванных ненормативным давле нием, и рекомендации по эксплуатации шин, в том числе с ВГПА.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обеспечива ется использованием фундаментальных законов и зависимостей, применением со временной вычислительной техники, точных контрольно-измерительных устройств сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Объекты исследований - шинные материалы, шины легковых автомобилей и грузового автомобиля «ГАЗель», а также экспериментальная шина ВПГА.

Предмет исследований - зависимости изменения давления в шинах во времени при эксплуатации автомобиля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (2007 - 2010 г.), на международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем 2009 г.», на XIII международной отраслевой научно-практической конференции «Россия периода реформ» 20 - 22 мая 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Содержит 135 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 8 таблиц. Список использованной литературы включает 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и поставлены задачи исследования, описаны объекты исследования, определены научная новизна, практическая ценность работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, и указан личный вклад автора.

Первый раздел посвящен обзору литературы по современному состоянию проблемы прогнозирования и стабилизации давления в шинах автомобилей, эксплуатируемых в России и за рубежом, а также влиянию давления на эксплуатационные

'ойства автомобилей. Ненормативное давление негативно влияет на ресурс шин, а !кже на эксплуатационные свойства автомобиля. Вопросам влияния давления на ;рактеристики шин и эксплуатационные свойства автомобилей посвятили работы 1чогие отечественные и зарубежные ученые: А. А. Великанов, В. Л. Бидерман, [ И. Бронштейн, Л. Л. Гинцбург, Н. Я. Говорущенко, В. А. Гудков, В. А. Иларионов. I И. Кнороз, А. С. Литвинов, В. И. Новопольский, Я. М. Певзнер, Р. В. Ротенберг, Б. Третьяков, Я. Е. Фаробин, А. А. Хачатуров, Е. А. Чудаков, Н. Н. Яценко, ВеИеэ

I, МеПег ТН. и др., однако вопросы прогнозирования давления в шинах АТС и, осо-^нно, повышения его стабильности недостаточно разработаны, хотя исследования в гом направлении ведутся непрерывно.

Разработаны многочисленные устройства для контроля давления, а также езопасные шины: самогерметизирующиеся шины и шины с дополнительной системой поддержки. Однако все эти разработки не позволяют повысить стабильность явления в шинах без уменьшения периода восстановления давления.

| Известна «безопасная шина для колеса транспортного средства» (патент ИЯ Й57778 30.01.1981, Бюл. № 5), в которой может быть реализован предложенный пособ повышения стабильности давления (рис. 1).

I

А

Рис. 1. Безопасная шина для колеса транспортного средства по патенту РИ №2457778

і “

| Она содержит обод 1 с вентилем 2, наружную пневматическую бескамерную Покрышку 3, основную камеру 4 с вентилем 5, выходящим в отверстие обода, и вспомогательную камеру 6, состоящую из секций, каждая из которых через клапаны / сообщена с основной камерой. Вспомогательная покрышка 8 выполнена из нерас-гягиваюшегося материала и ограничивает радиальное расширение вспомогательной -амеры.

Полость наружной покрышки связана с вентилем 3 каналами 9. Данная шина сохраняет работоспособность после прокола, однако имеет тот же недостаток, что и

обычные шины, заключающийся в постепенном уменьшении давления вследствие диффузии воздуха через наружную покрышку. Это обусловлено тем, что начальное давление в наружной покрышке и внутренней вспомогательной камере практически одинаково, т.е. вспомогательная камера не используется как ВПГА.

На основании выполненного обзора литературы для реализации цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести на основании статистических данных анализ по давлению в шинах АТС эксплуатируемых в России и других странах.

2. Разработать методику прогнозирования давления в шинах автомобиля, основанную на математическом моделировании процессов в шине с учетом эксплуатационных факторов (температуры, атмосферного давления, диффузии газа через шину в атмосферу), и дать оценку степени их влияния на давление в шине.

3. Разработать математическую модель процесса диффузии газа из шины, содержащей ВГПА, и методику выбора его рациональных параметров, обеспечивающих максимальное увеличение периода восстановления давления в шине.

4. Провести расчётно-теоретическое исследование закономерностей изменения давления в шинах автомобиля, в том числе с ВГПА.

5. Разработать методику экспериментального определения коэффициента диффузионной газопроницаемости шинных материалов и шин, а также методику испытания шины с ВГПА, провести экспериментальные исследования и сделать анализ полученных результатов.

6. Разработать рекомендации по эксплуатации шин, в том числе с ВГПА, с целью повышения стабильности давления.

Второй раздел диссертации посвящен разработке методики прогнозирования давления в шинах автомобиля с учетом эксплуатационных факторов, а также разработке математической модели процесса диффузии газа из шины, содержащей внутренний газопроницаемый пневматический аккумулятор.

Давление в исправном, с герметичным вентилем колесе, заправленном газом до нормативного давления, может повышаться или понижаться по трем причинам. Первая причина — это изменение температуры сжатого газа внутри шины вследствие суточных и сезонных колебаний температуры окружающего воздуха, а также нагрева шины при движении. Вторая причина — изменение давления атмосферного воздуха. Третья причина - диффузия заправленного газа через камеру или покрышку беска-мерной шины. Для прогнозирования давления по первой причине для неподвижного колеса необходимо знать прогноз погоды. Информацию о суточных и сезонных колебаниях температуры атмосферного воздуха в городах предоставляет ФОБОС (рис. 2). Из рис. 2 видно, что в среднем размахи суточных колебаний температуры невелики: 7—15 градусов. Поскольку оболочка шины является хорошим теплоизолятором и аккумулятором тепловой энергии, то суточные колебания температуры газа в шине будут сдвинуты по времени и значительно меньше по амплитуде. Исключить влияние этого фактора на точность измерения давления рекомендуется путем проведения измерений при одной и той же температуре после выдержки шины при этой температуре. Если это невозможно, то следует учесть поправку, которая рассчитывается по закону Шарля.

Рис. 2. Суточные к сезонные колебания температуры в городе Волгограде, предоставленные ФОБОСом

Сезонные колебания среднесуточной температуры атмосферного воздуха значительно больше, чем суточные, (размахи до 50 градусов и более), и их необходимо учитывать. Сезонные колебания среднесуточной температуры газа в шине будут практически соответствовать сезонным колебаниям температуры окружающего воздуха, т. к. они очень медленные (конечно, если автомобиль не хранится в отапливаемом гараже). Прогнозировать давление р в шине в этом случае можно также по закону Шарля: рг = Р[Т2/Т\, где 7[ и Т2 - начальная и конечная абсолютные температуры газа в шине (в градусах Кельвина). Прогнозировать давление в катящейся шине можно по приближенной формуле, полученной на основе формулы В. И. Сороко-Новицкого:

Р

*0 4---------с " У

Здесь р0 и Г0 - соответственно, давление и температура газа в неподвижной шине до начала движения; Ск - нагрузка на шину, кгс;/- коэффициент сопротивлению качению; к - коэффициент теплоотдачи от поверхности шины; и - скорость качения, км/ч; £)с - средний диаметр шины, м; В - ширина профиля шины, м.

Оценка показывает, что максимальное изменение давления в неподвижной шине вследствие сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха составляет 20 - 25 %. Это значительно больше допустимого по нормам изменения давления зЬ 5% для легковых автомобилей и 10% для грузовых автомобилей и автобусов. В связи с этим в работе были выработаны рекомендации по восстановлению давления в шинах в различные сезоны года. В катящейся шине допускается температура 100 °С. Температура от 100 до 120 °С называется критической, а выше 120 °С - опасной. В связи с этим максимальное изменение давление в катящейся шине с изначально нормативным давлением вследствие повышения ее температуры может достигать 30 - 40 %. Следует отметить, что после остановки шины она остывает, и давление в

Ро_

С./»

1?.9ППЛ- Г) Д

+ 273

(1)

ней снижается до нормативного уровня, поэтому повышение давления в катящейся шине не является нарушением нормативного давления.

Для прогнозирования изменения давления газа в шине по причине изменения атмосферного давления необходимо учитывать, что давление в шине, измеряемое манометром, равно разности абсолютного давления в шине и атмосферного давления. При постоянной высоте над уровнем моря атмосферное давление колеблется незначительно, поэтому при прогнозировании давления в шине его можно не учитывать. Но в горных условиях, при увеличении высоты над уровнем моря, атмосферное давление понижается на 0,01 МПа на каждые 1000 м подъема, и, соответственно, повышается давление в шине. При спуске с гор атмосферное давление соответственно увеличивается, а давление в шине снижается. Максимальное изменение давления в горных условиях ± 20...25 %, т.е. существенно больше, чем допустимое по нормам, следовательно, если в горах шины имели нормативное давление, при спуске с гор их необходимо подкачивать. ,

Для прогнозирования падения давления в шинах по причине газопроницаемости шинных материалов использовался закон Фика, который для одномерного стационарного переноса газа через газопроницаемый материал имеет вид:

где О - количество газа (кг), прошедшего через газопроницаемый материал

сторон материала Ар (Па), к - коэффициент газопроницаемости (с), который определяется экспериментально.

Процесс диффузии всегда идет в направлении выравнивания концентрации, то есть из области, в которой концентрация газа (плотность) выше, в область с более низким давлением. Поскольку давление в шине р понижается во времени вследствие диффузии газа через оболочку (камеру или герметизирующий слой бескамерной шины), то интенсивность диффузии газа из шины (количество диффундирующего газа за единицу времени) тоже уменьшается с течением времени. Поэтому на основании формулы (2) справедливо выражение:

Определим зависимость, по которой давление в шине изменяется с течением времени при постоянной температуре Г.

В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева, количество газа (кг),

(2)

толщиной (5 (м) и площадью 5 (м2) за время / (с) при разности давлений газа с разных

(3)

прошедшего через оболочку объемом V (мл) за время / (с),

ят

ство газа, оставшееся в колесе к моменту времени I, р() - начальное давление газа в

шине, Л - газовая постоянная диффундирующего газа (Дж/кг-К).

Путем подстановки формулы (4) в формулу (3) получим дифференциальное уравнение

= — Р(Г), (5)

О

\ КТ

Решением уравнения (5) является выражение:

ШГ

= Се ^ . (6)

Коэффициент С определяется из начальных условий / = О, р(/ = 0) = р0. Таким образом, давление в шине по истечении времени / можно прогнозировать по формуле

р(0 = ров~Ш, (7)

где

где а -------

ЗУ

Анализ формулы (7) показывает, что скорость диффузии увеличивается при росте коэффициента газопроницаемости к, площади шины 5 и температуры Т и уменьшается при росте толщины герметизирующего слоя 3 и объёма шины V. При современной тенденции выпуска все более низкопрофильных шин интенсивность падения давления в шинах возрастает, т.к. при этом объем шин уменьшается быстрее, чем их площадь.

При разработке математической модели процесса изменения давления в безопасной шине для колеса транспортного средства, содержащей внутренний пневматический аккумулятор, была использована расчетная схема (рис. 3).

Приняты следующие допущения: газ в шине идеальный; температура шины постоянна; коэффициент газопроницаемости постоянный.

Поскольку давление р0§ в вспомогательной камере понижается во времени

вследствие диффузии газа, то интенсивность диффузии газа из вспомогательной камеры в шину тоже уменьшается с течением времени. Поэтому на основании формулы (2) справедливо выражение для количества газа, проходящего через оболочку дополнительной камеры в шину за бесконечно малый промежуток времени:

. =~^\рА‘)-рЛФ- (*>

В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева, количество газа (кг), вышедшего из вспомогательной камеры объемом (м^) за время г (с),

£об(0 = СобО-Соб(/) =

\р*Ъ~ Р<*Ц)\'У«

ят

(9)

Рис. 3. Расчётная схема шины с внутренним пневматическим аккумулятором (ВПГА): 1 - наружная пневматическая бес-камерная покрышка, 2 - внутренний пневматический аккумулятор, 3 - обод, А - основная камера, В -вспомогательная камера (внутренний пневматический газопроницаемый аккумулятор)

где ^обО и <Л*(0 ~со' ответственно начальное количество газа в вспомогательной камере и количество газа, оставшееся во вспомогательной камере к моменту времени /, р0§ 0 - начальное

давление газа во вспомогательной камере, Я - газовая постоянная диффундирующего газа (Дж/кг-К). Для количества газа, выходящего из шины в атмосферу за бесконечно малый промежуток времени, на основании формулы (2) справедливо выражение:

<1<2*«) = ^Ри,№-

О...

(10)

Количество газа (кг), изменившееся в шине объемом Уш (м3) за время г (с),

1ршо~рш(0]'Уш

еш (0-О* (0 = СШО-СШ(0 =

ят

(П)

где Сш0 и Сш(^) - соответственно начальное количество газа во вспомогательной камере и количество газа, оставшееся во вспомогательной камере к моменту времени I, Рш0 - начальное давление газа во вспомогательной камере, /1 - газовая постоянная диффундирующего газа (Дж/кг-К).

Подставив формулу (9) в формулу (11), получим:

П .Л-кбО /?об(0] К>б , \PuiQ ~ Рш (0]‘ ,,,,,,

^ ЛГ КГ '

Путем подстановки формулы (9) в формулу (8) и формулы (12) в формулу 0), получим систему дифференциальных уравнений

АГ[^обО-Роб(0]-^ сЗ/

об

КТ

с!г

V

ЛТ

—^к5(0-рш(01

°о6

(13)

КТ

шение системы уравнений

Р«0) = С,е

а,,-, + аш +а„- — -4 а,лаш ~ а.л+аи, +7 ,) !( ы

1 * J П О

+ Сге

аоб -*ц, -аоб-

Р,ЛО = С1 ■

а,+ а,,, + а Л —

..Л ж „6 у

-4а-а.

2а

+ С,

-«„6 — +

а. +а,„ +а„,

-4аоВа„,

(14)

2 а.

С, =-

«об -«ш-«обТГ + -

ш ( V

К..

\2

+ «... + а.

~4ао6«ш

- а...

-4а06агш

с2=-

Р об О ^ооРшО

2-Л «Сб+«ш +а0б^Г

-4а , а

00 ш

Для реализации полученной математической модели была разработана специ-ьная программа и методика выполнения расчетов.

В третьем разделе приводятся разработанные методики проведения экспери-нтальных исследований.

Первая методика разработана в целях изучения частоты проверки давления водителями легковых автомобилей. Она основана на анкетном опросе водителей.

Вторая методика описывает пассивный эксперимент в виде измерения давления в шинах различных автомобилей с большой точностью и статистическую обработку результатов. Значения давлений заносились в таблицу, причём каждый раз определялось отклонение от нормы в процентах, т. к. у автомобилей разного типа давление в шинах зависит как от типа автомобиля, так и от типа шин.

Третья методика позволяет выявить влияние различных факторов (температуры, материала и др.) на коэффициент газопроницаемости резиновых диафрагм и шин.

Четвертая методика разработана для проверки адекватности математической модели шины с ВПГА.

В четвертом разделе содержатся результаты экспериментальных и теоретических исследований.

На рис. 4 представлено распределение давления в шинах различных легковых автомобилей и автобусов особо малой вместимости в процентах от нормы. Из рис. 4 следует, что только около 30% шин имеют давление в пределах нормы (с учетом допустимого отклонения 5%), а около 70% - ниже нормы. Из них около 30% шин имеют снижение давления на 10 — 15% ниже нормы, что увеличивает затраты на эксплуатацию автомобиля.

0,35

Зона пониженного давления

она нормативного давления

а.

л 0,2

и

О

5 0,15

С

т

0,1

0.05

0

81 84 87 90

П рак і имеск ие да н ные

Давление в шинах, % от нормы

96 99 102 105

Теоретическая кривая

Рис. 4. Распределение давления в шинах различных легковых автомобилей и автобусов особо малой вместимости в процентах от нормы

На рис. 5 представлена экспериментальная зависимость коэффициента газопроницаемости резиновой диафрагмы от температуры. Из рисунка видно, что коэффициента газопроницаемости резиновой диафрагмы прогрессивно увеличивается с

ростом температуры. При увеличении температуры на 10 градусов он возрастает в 2 ' раза, на 30 градусов - в 9 раз, на 50 градусов - в 26 раз. Поэтому для повышения стабильности давления очень важно снижать температуру шин в эксплуатации.

На рис. 6 приведены графики, представляющие прогноз давления в шинах при эксплуатации АТС, построенные по формуле (6) для азота при начальном давлении

1 0,20 МПа. Из рис. 6 видно, что при работе транспортного средства в течение суток в

режиме 12 часов простоя и 12 движения, при котором температура шин повышается с 30 до 50 °С, давление в шине с течением времени уменьшается вследствие диффузии по ломанной экспоненциальной кривой 2. Кривая 3 показывает, как изменяется давление в неподвижной шине, имеющей температуру 50 °С.

I На рис. 7 приведены графики, представляющие прогноз давления в обычной

шине и в шине с ВПГА при температуре 30°С, построенные по формулам (6) и (14). Из рисунка видно, что при рациональных параметрах ВГПА обеспечивается увеличение периода восстановления давления в шине для поддержания его в пределах нормативного с 7 до 120 дней, т. е. в 17 раз по сравнению с аналогичным периодом для обычной шины.

О 20 40 60 т. °С

Рис. 5. Экспериментальная зависимость коэффициента газопроницаемости резиновой диафрагмы от температуры

Рис. 6. Прогноз изменения давления в шине в эксплуатации:

1 - статика при температуре 30° С; 2 - ежедневное чередование статики (12 часов) при температуре 30 °С и динамики (12 часов) при температуре 50 °С; 3 - статика при температуре 50 °С

Рис. 7. Прогноз изменения давления в шине с ВГПА и в обычной шине от времени при температуре 30 °С:

1 - расчётное давление во внутреннем газопроницаемом пневматическом аккумуляторе, 2 - расчётное давление в шине, 3 - расчётное давление в шине при отсутствии ВГПА, - экспериментальные точки

В пятом разделе дан анализ неэффективных затрат на шины, вызванных не-гормативным давлением в шинах и рекомендации по эксплуатации шин, в том числе ВГПА.

Установлено, что объём неэффективных затрат, вызванных ненормативным авлением в шинах соответствует примерно 10% от общего объёма годовых продаж ин в России, и с каждым годом их число возрастает, что вызвано как увеличиваю-имся парком машин, так и ростом среднего пробега автомобиля. Оценка дополни-ельного расхода топлива, выполненная на основе статистических данных по рас-ределению давления в шине показала, что в среднем он составляет около одного роцента от расхода топлива, который идет на движение автомобиля. Максимальный ополнительный расход топлива, соответствует отклонению давления в шинах от юрмативного на 22% и достигает 5%.

Основные выводы и результаты:

1. Решена задача прогнозирования давления в шинах автотранспортных редств и повышения его стабильности в эксплуатации за счёт использования внут-еннего газопроницаемого пневматического аккумулятора давления (ВГПА).

2. Анализ состояния давления в шинах АТС показал, что лишь у 30% автомо-илей давление воздуха в шинах соответствует нормативному значению и у 30% аходится в зоне «опасных значений» (с точки зрения безопасности движения) с ольшим отклонением от нормативного. Финансовые потери для страны вследствие енормативного давления в шинах АТС даже без учёта экологических потерь со-тавляют по РФ более 7,5 млрд. руб. в год.

3. Разработана методика прогнозирования давления в шине, и установлен ха-актер, направление и пределы влияния таких эксплуатационных факторов как тем-ература, атмосферное давление и диффузия газа через шину в атмосферу. Первые ва фактора влияют на давление периодически и обратимо, в пределах ± 25% (в ка-ящейся шине влияние температуры до 40%), третий фактор действует непрерывно и еобратимо. Он понижает давление с различной интенсивностью в зависимости от словий эксплуатации шины и приводит к снижению давления по экспоненциальной ависимости, причем падение давления ниже нормативного происходит в среднем за дней.

4. Разработана математическая модель процесса диффузии газа из шины, со-ержащей ВГПА, и методика выбора его рациональных параметров, обеспечивающих максимальное увеличение периода восстановления давления в шине при соблю-ении норм давления. Выбраны параметры, обеспечивающие увеличение периода осстановления давления в шине в среднем с 7 до 120 дней, т. е. в 17 раз больше, чем обычной шине.

5. Разработана методика стендового экспериментального исследования газо-роницаемости шинных материалов, определены коэффициенты газопроницаемости екоторых резин, и выявлена их зависимость от температуры. Изготовлена и испы-

на шина с ВГПА, результаты испытаний которой хорошо согласуются с результа-ми расчетов.

6. Установлено, что объём неэффективных затрат, вызванных ненормативным авлением в шинах, соответствует примерно 10% от общего объёма годовых продаж ин в России. Разработаны рекомендации по изготовлению и эксплуатации шин с ГПА (после износа протектора и замены шины ВГПА может быть использован в овой шине). Широкое внедрение шин с ВГПА повысит безопасность движения и

даст значительный экономический эффект РФ.

Основные материалы диссертации опубликованы в ниже перечисленных 8-ми публикациях, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК:

публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Рябов, И.М. Способ увеличения периода технического обслуживания шин путем создания запаса давления / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Муртузов, Т.Б. Зелимханов // Грузовик. - М.: Машиностроение, 2011. - № 2 . С. 1215.

2. Чернышов, К.В. Математическое моделирование процесса диффузии воздуха из шины / К.В. Чернышов, И.М. Рябов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Муртузов // Грузовик. - М.: Машиностроение, 2011. - № 11 .С. 14-18.

3. Оценка вибронагруженности водителя и пассажиров маршрутного такси ГАЭ-322132 с учетом условий эксплуатации / И.М.Рябов, В.В. Новиков, К.В. Чернышов, М.М. Гасанов, М.Ш. Абдуллаев, Ш.Д. Гечекбаев // Грузовик. - М.: Машиностроение, 2009. - № 8. С. 2-5.

прочие статьи:

4. Гудков, В.А. Анализ причин выхода из строя пневматических автомобильных шин У В.А. Гудков, И.М. Рябов, А.В. Сычев, Ш.Д. Гечекбаев // Шина плюс: всеукраинский журнал. - 2007. - №4. - С.7-9.

5. Гудков, В.А. Влияние давления в шинах на эксплуатационные характеристики автомобиля / В.А. Гудков, И.М. Рябов, А.В. Сычев, В.И. Карлов, Ш.Д. Гечекбаев // Шина плюс: всеукраинский журнал. - 2008. - №2. - С. 8-10.

6. Гудков, В.А. Прогнозирование давления в запасном колесе автомобиля и особенности его обслуживания / В.А. Гудков, И.М Рябов, К.В. Чернышов, М.Г. Гай-дарбеков, М.Ш. Абдуллаев, Ш.Д. Гечекбаев // Шина плюс: всеукраинский журнал. -2009.-№1. С. 9-11.

7. Гудков, В.А. Влияние перекачивания шин на периодичность восстановления давления / В.А. Гудков, И.М Рябов, К.В. Чернышов, М.Г., Ш.Д. Гечекбаев, М. М. Муртузов // Шина плюс: всеукраинский журнал. - 2010. -№ 3. С. 12-13.

8. Гудков, В.А. Информационные системы контроля давления в шинах / В.А. Гудков, И.М Рябов, Ш.Д. Гечекбаев, Т.Б. Зелимханов, М.М. Муртузов // Шина плюс: всеукраинский журнал.-2010.-№4 . С. 11-13.

Личный вклад автора. В работах [1-8] автор принимал непосредственное участие в разработке методики прогнозирования давления в шине и математической модели процесса проницаемости газа через шину, содержащей внутренний газопроницаемый пневматический аккумулятор давления, и методики выбора его рациональных параметров, обеспечивающих максимальное увеличение периода восстановления давления в шине. По разработанной программе провел расчеты. Участвовал в подготовке, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов.

Подписано в печать 12.01.2012 г.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная.

Уел. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 58 Типография Махачкалинского филиала МАДГТУ (МАДИ). 367026 г. Махачкала, пр. Акушинского, 13.

Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

61 12-5/1860

На правах рукописи

Гечекбаев Шихмагомед Джамалдинович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ШИНАХ АТС И ПОВЫШЕНИЕ ЕГО СТАБИЛЬНОСТИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ГАЗОПРОНИЦАЕМОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО АККУМУЛЯТОРА

05.22Л0 - «Эксплуатация автомобильного транспорта»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент Рябов И.М.

МАХАЧКАЛА 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................6

РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ШИНАХ, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АТС.................................... 12

1.1. Результаты исследования давления воздуха в шинах автомобилей

в РФ и за рубежом. Убытки от ненормативного давления в шинах.......... 12

1.2. Анализ причин выхода шин из строя. Негативное влияние ненормативного давления воздуха в шине на ее характеристики............ 13

1.2.1. Влияние давления и скорости движения автомобиля

на температуру шины............................................................. 16

1.2.2. Влияние давления в шине на мощность сопротивления качению и скорость при входе в аквапланирование........................ 19

1.3. Системы контроля давления в шинах......................................... 21

1.3.1. Система прямого измерения давления.................................23

1.3.2. Система косвенного измерения давления.............................. 25

1.4. Безопасные шины..................................................................29

1.4.1. Самогерметизирующиеся шины.........................................29

1.4.2. Шины с самоподдержкой.................................................30

1.4.3. Шины с дополнительной системой поддержки ...................... 30

1.5. Газопроницаемость шин и возможность ее уменьшения

за счет применения различных газов............................ 32

1.6. Влияние внутреннего давления на свойства шины ......................... 39

1.6.1. Влияние внутреннего давления

на нормальную жёсткость шины................................................39

1.6.2. Влияние давления в шине на ее контакт с дорогой.................. 39

1.6.3. Влияние давления в шине

на ее сопротивление боковому уводу..........................................40

1.7. Влияние давления в шине

на эксплуатационные свойства автомобиля....................................... 40

1.7.1. Влияние давления в шине

на курсовую устойчивость автомобиля....................................... 39

1.7.2. Влияние давления в шине автомобиля на топливную экономичность...................................................................... 42

1.7.3. Влияние давления воздуха в шине автомобиля

на динамику автомобиля......................................................... 44

Выводы по обзору и задачи исследования............................................. 45

РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ШИНАХ АТС И ПОВЫШЕНИЯ ЕГО СТАБИЛЬНОСТИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ГАЗОПРОНИЦАЕМОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО АККУМУЛЯТОРА ......... 48

2.1. Прогнозирование давления в шинах автомобиля вследствие изменения температуры и атмосферного давления..............................48

2.2. Математическое моделирование процесса изменения

давления в шине вследствие диффузии газа.......................................52

2.3. Математическое моделирование процесса диффузии газа из шины, содержащей газопроницаемый пневматический аккумулятор................ 56

РАЗДЕЛ 3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 64

3.1. Методика проведения экспериментальных наблюдений за изменением давления в шинах........................................................................ 64

3.2. Методика обработки результатов экспериментов и выявления теоретических закономерностей......................................................66

3.3. Разработка методики определения коэффициентов диффузионной проницаемости шинных материалов и шин........................................72

3.3.1. Методика определения коэффициента диффузионной проницаемости шинных материалов............................................ 72

3.3.2. Установка для определения коэффициента диффузионной проницаемости газа из шины автомобиля.....................................78

3.3.3. Методики определения диффузионной газопроницаемости шины

автомобиля в лабораторных и дорожных условиях......................... 79

РАЗДЕЛ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................83

4.1. Результаты исследования состояния контроля давления в шинах автомобилей, которые эксплуатируются в г. Махачкале........................83

4.2. Результаты статистической обработки экспериментальных данных измерения давления в шинах...........................................................90

4.3. Зависимость коэффициента газопроницаемости резиновой диафрагмы от температуры............................................................97

4.4. Прогноз изменения давления в шине в эксплуатации......................101

4.5. Прогноз изменения давления в шине с внутренним

газопроницаемым пневматическим аккумулятором в эксплуатации........ 101

4.7. Расчет и анализ эффективных и неэффективных

затрат на шины, вызванных ненормативным давлением...................... 104

РАЗДЕЛ 5. АНАЛИЗ НЕЭФФЕКТИВНЫХ ЗАТРАТ НА ШИНЫ, ВЫЗВАННЫХ НЕНОРМАТИВНЫМ ДАВЛЕНИЕМ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ШИН, В ТОМ ЧИСЛЕ С ВНУТРЕННИМ ГАЗОПРОНИЦАЕМЫМ ПНЕВМАТИЧЕСКИМ АККУМУЛЯТОРОМ......

106

5.1. Анализ неэффективных затрат на шины, вызванных ненормативным давлением................................................................106

5.2. Рекомендации по периоду восстановления давления шин с

учетом суточных и сезонных колебаний температуры............................. 110

5.3. Рекомендации по эксплуатации шин с внутренним

газопроницаемым пневматическим аккумулятором.................................... 113

5.2.1. Преимущества и недостатки шин с внутренним газопроницаемым пневматическим аккумулятором.........................................................113

5.2.2. Рекомендации по изготовлению и эксплуатации шин с внутренним газопроницаемым пневматическим аккумулятором.................................115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАБОТЕ............................. 116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................118

Приложения................................................................................. 130

Приложение А. Программа расчета изменения давления в шине

с внутренним газопроницаемым пневматическим аккумулятором ..............

130

Приложение Б. Акты внедрения.........................................................

134

ВВЕДЕНИЕ

Важной проблемой эксплуатации автотранспорта является пониженное относительно нормы давление в шинах автомобилей. Это объясняется тем, что, по имеющимся данным, давление газа в шинах влияет напрямую на множество эксплуатационных свойств АТС, которые в свою очередь оказывают, как правило, негативное влияние на другие. Ненормативное давление приводит к изменению эксплуатационных издержек в сторону увеличения и неоднозначно влияет на эксплуатационные свойства автомобилей - как правило (поскольку чаще давление ниже нормативного), снижает общую эффективность и безопасность автомобильного транспорта.

Важность проблемы многократно увеличивается тем, что автомобильный транспорт является ключевым видом транспорта, т.к. только он охватывает как перевозки на дальние расстояния (в том числе междугородние и международные перевозки), так и доставку конечному потребителю «от двери к двери». Поэтому эксплуатационные затраты автомобильного транспорта влияют на себестоимость и стоимость большей части товаров и услуг.

Особо важной является экологическая составляющая вопроса, т.к. автомобильные шины являются загрязнителями как в процессе эксплуатации (в виде мелкодисперсной пыли), так и при дальнейшей утилизации (длительный процесс самостоятельного разложения в природе, выделение токсичных газов при горении и пр.). Снижение интенсивности износа автомобильных шин путем стабилизации давления позволит повысить экологичность автомобилей.

В настоящее время основные исследования направлены на определение путей снижения износа протектора для увеличения ресурса шин. Однако решение подобных вопросов подразумевает соблюдение норм технического обслуживания автомобильных шин, которые на практике не соблюдаются. По этой причине важной задачей является разработка предложений по стабилизации давления в шинах всеми возможными мерами: организационными, технологическими и техническими.

Кроме вышеописанного можно выделить то, что в литературе рассматривается вопрос о влиянии давления в шинах на те или иные ее характеристики, однако вопросу изменения давления вследствие влияния различных эксплуатационных факторов уделяется недостаточно внимания.

В процессе эксплуатации шин давление в них постепенно изменяется вследствие различных причин. Воздух из шины может вытекать через ниппель и через соединение бескамерной шины с ободом. Однако даже если указанные утечки отсутствуют, давление в шинах автомобиля, в том числе и запасном колесе все равно постепенно изменяется, причем не только уменьшается, но и увеличивается под действием таких эксплуатационных факторов как температура и давление атмосферного воздуха. Кроме того, непрерывно идет диффузия заправленного в шину газа через материалы шин в атмосферу. Поэтому для организации научно обоснованного обслуживания шин и повышения стабильности давления, необходима разработка методики прогнозирования давления в шинах с учетом эксплуатационных факторов.

Опубликованная в литературе статистическая информация свидетельствует о том, что в России и за рубежом не осуществляется регулярный контроль давления в шинах. Европейские производители шин провели обширные исследования давления в шинах различных автомобилей в процессе эксплуатации и установили, что только 20% автомобилей имеет нормативное давление в шинах, 60% - недостаточное, а 20% - избыточное. Специалисты фирмы Continental выявили, что тяжелые грузовые автомобили в Северной Америке эксплуатируются с давлением в шинах на 12% ниже требуемого. Это приводит к дополнительным затратам на топливо в 5 млрд. долларов.

Анализ состояния давления в шинах АТС в Российской Федерации показал, что контроль над давлением находится в проблемном состоянии: лишь у 15% автомобилей давление воздуха в шинах соответствует нормативному значению (±5%> для легковых и ± 10% для грузовых автомобилей и автобусов); у 50%о отклонение давления находится в зоне «опасного» (отклонение в 2 раза ниже нормативного), а у 35% - в зоне «особо опасного» (более чем в 2 раза ни-

же нормативного). Финансовые потери для страны вследствие ненормативного давления в шинах АТС даже без учёта экологических потерь, составляют по РФ более 7,5 млрд. руб. в год.

Из-за ненормированного давления шины изнашиваются быстрее, примерно на 10%, что, соответственно, требует увеличения выпуска шин. За рубежом фирмы Goodyear Tire & Rubber Со и Siemens VDO Automotive и другие, разработали различные системы контроля давления в шинах, однако эти системы только контролируют, но не стабилизируют его. Поэтому тема диссертации, направленная на прогнозирование и повышение стабильности давления в шинах автотранспортных средств является актуальной.

Цель работы: обоснование периода восстановления давления в шинах автотранспортных средств и повышение его стабильности в эксплуатации за счёт использования внутреннего газопроницаемого пневматического аккумулятора (ВГПА).

Задачи исследования

1. Провести на основании статистических данных анализ по давлению в шинах АТС эксплуатируемых в России и других странах.

2. Разработать методику прогнозирования давления в шинах автомобиля, основанную на математическом моделировании процессов в шине с учетом эксплуатационных факторов (температуры, атмосферного давления, диффузии газа через шину в атмосферу) и дать оценку степени их влияния на давление в шине.

3. Разработать математическую модель процесса диффузии газа из шины, содержащей ВГПА и методику выбора его рациональных параметров, обеспечивающих максимальное увеличение периода восстановления давления в шине.

4. Провести расчётно-теоретическое исследование закономерностей изменения давления в шинах автомобиля, в том числе с внутренним газопроницаемым пневматическим аккумулятором.

5. Разработать методику экспериментального определения коэффициента диффузионной газопроницаемости шинных материалов и шин, а также методику испытания шины с ВГПА, провести экспериментальные исследования и сделать анализ полученных результатов.

6. Разработать рекомендации по эксплуатации шин, в том числе с внутренним газопроницаемым пневматическим аккумулятором с целью повышения стабильности давления.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

•методика прогнозирования давления в шинах автомобиля с учетом эксплуатационных факторов;

• обоснование способа повышения стабильности давления в шине, включающее математическую модель процесса диффузии газа из шины с внутренним газопроницаемым пневматическим аккумулятором:

• результаты теоретических исследований и экспериментальных исследований газопроницаемости шинных материалов и шин;

•расчет неэффективных затрат на шины, вызванных ненормативным давлением и рекомендации по эксплуатации шин.

Объекты и методы исследований - шины легковых автомобилей, а также автобусов особо малой вместимости (семейства «ГАЗель»).

Научная новизна.

1. Разработана методика прогнозирования давления в шине, основанная на математическом моделировании процессов в шине с учетом эксплуатационных факторов (температуры, диффузии газа в атмосферу, атмосферного давления), и дана оценка степени влияния этих факторов.

2. Научно обоснована возможность повышения стабильности давления в шинах за счёт использования внутреннего пневматического аккумулятора.

3. Разработана математическая модель процесса диффузии газа из шины, содержащей внутренний газопроницаемый пневматический аккумулятор, и методика выбора его рациональных параметров, позволяющая обеспечить максимальное увеличение периода восстановления давления для различных шин и условий эксплуатации.

Практическая ценность:

1. Разработанная методика прогнозирования давления в шинах АТС с учетом условий эксплуатации позволяет научно обоснованно назначать периодичность восстановления давления, что позволит повысить стабильность давления в шинах, их пробег и улучшить топливную экономичность АТС.

2. Теоретически и экспериментально обоснованный способ стабилизации давления в шинах путем выбора параметров внутреннего газопроницаемого пневматического аккумулятора обеспечивает увеличение периода восстановления давления в шине в 17 раз и более, что при внедрении даст значительный экономический эффект.

3. Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований с шинами могут быть использованы при разработке и оптимизации других устройств, в которых требуется стабилизация давления.

Апробация работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (2010 г.), на международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем 2009 г.», на XIII международной отраслевой научно-практической конференции «Россия периода реформ» 20 - 22 мая 2009 г.

Содержание основных положений диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах, из них 3 входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём работы: диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Содержит 135 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 8 таблиц. Список использованной литературы включает 121 наименование.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ШИНАХ, И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АТС

1.1. Результаты исследования давления воздуха в шинах автомобилей в

РФ и за рубежом. Убытки от ненормативного давления в шинах

В РФ исследование давления воздуха в шинах автомобилей, находящихся в эксплуатации частных лиц и организаций независимо от прав собственности, было проведено в Москве и Подмосковье компанией MICHELIN. Анализ состояния давления в шинах АТС в Российской Федерации показал, что контроль над давлением находится в проблемном состоянии: лишь у 15% автомобилей давление воздуха в шинах соответствует нормативному значению (±5% для легковых и ± 10% для грузовых автомобилей и автобусов); у 50% отклонение давления находится в зоне «опасного» (отклонение в 2 раза ниже нормативного), а у 35% - в зоне «особо опасного» (более чем в 2 раза ниже нормативного). Таким образом, можно утверждать, что ненормативное давление воздуха в шинах имеет более половины автомобилей, находящихся на дорогах России. Это увеличивает затраты на эксплуатацию автомобилей, ухудшает их экологич-ность и представляет непосредственную опасность для участников дорожного движения [92,106, 111].

В результате исследования проведённого в Скандинавии компанией Nokian Tyres [2] установлено, что 60% автовладельцев не производят регулярную проверку внут