автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Влияние режимов нагружения и дорожных факторов на износ шин

? #

# ;

г\7 На правах рукописи

КУВРАКОВ Владимир Петрович -

влияние режимов нагружеНия и дорожных факторов ю. ианос вин

Свеци&лыюстъ 05.22.10 - %Эксплуатация автомобильного

транспорта'

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград 1995 г.

Работа выполнена на хафедре "Техническая эксплуатации ремонт автомобилей" Волгоградского государственного - теш ческого университета.

Научные руководители: доктор технических наук, професо член-корреспондент лкадех^и транспор РЕВИВ А.А.; кандидат технических наук, врофес< ГУДКОВ В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических паук, професс

СТРОКОВ В.А.; кандидат технических наук, дощ КПЕПИК Я. К.

Ведущее предприятие : АО "Волтаир*.

Защита диссертации состоится * 15" 1995 г<

в у^^ов на заседании диссертационного сов«

К 063.76.02 ВАК РФ при Волгоградском государственном те» ческом университете по адресу« 400066, г.Волгоград, пр< пект В.К.Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться В библиотеке' Вол: градского государственного технического университета.

Автореферат разослан " //"" 1995 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

В. А. Ожоги!

в

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивный рост автомобильного эанспорта и повышение роли подвижного состава в народном эзяйстве России выдвинули в число важнейших проблему уве-таения срока службы.шин. Анализ причин отказов шин а экс-туатации показывает, что от 70 до 90 % их выходит из рроя по причине износа протектора. Следовательно, увеличе-<е пробега шин связано с повышением износостойкости проектора.

Увеличение пробега шин возможно за счёт разработки ио-ос перспективных шин с повышенной износостойкостью и ра-юнальвой их эксплуатацией в различных дорожных условиях, и решения этой проблемы необходимы прогрессивные методы следований износостойкости протектора в условиях, макси-1Льно приближённых к эксплуатационным.

Эксплуатационные испытания из-за их низкой воспроизво-(мости требуют больших временных и материальных затрат, ■ендовые испытания производительны и позволяют с большей »чностью и меньшими затратами определить влияние отдельных »нструкционных параметров шин и некоторых эксплуатационных [Кторов на изменение износостойкости шин. Однако, в стен-■вых условиях возникают трудности с имитацией множества йствующих на шину эксплуатационных факторов.

В связи с вышесказанным, разработана методика исследо-ния износостойкости протектора шин и, на её основе, из-ение влияния эксплуатационных режимов нагружения и дорож-х факторов на износ шин является особенно актуальным.

Работа выполнялась в соответствии с НИР В госрегистра-и 01830037008 "Исследование напряжённо-деформированного

состояния зоны контакта автомобильной шины с дорогой од различных режимах её нагружекия" в период с 1980 по 195 годы.

Целью работы является разработка расчётно-эксперимеь тальыого метода оценки износа протектора и, на его основе исследование влияния режимов нагружения и дорожных факторе на износ шин.

Методы исследования. В работе использован эксперимег тальный метод оценки влияния основных режимов нагружен* шин, адекватных эксплуатационным, и расчёт износа шин в ре альных условиях эксплуатации на основе выявленных законе мерностей.

Объект исследования. Грузовые автомобильные шины, эк< плуатируемые на автомобилях ГАЗ, ЗиЛ, КамАЗ и .автобусе ЛАЗ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние основных режимов нагруженш адекватных эксплуатационным, на износ шин.

2. Установлены закономерности изменения интенсивное: износа протектора шин от основных параметров нагружеши определяющих износ шин в эксплуатации.

3. Исследовано влияние конструктивных параметров шин материалов, применяемых для их изготовления на изменен] износостойкости протектора в условиях, максимально приблз жённых к реальным.

4. Разработан расчётно-экспериментальный метод оцеш изнооа протектора шин в условиях эксплуатации по результ там стендовых испытаний.

5. Исследовано влияние основных дорожных факторов .; изменение интенсивности износа протектора шин лередн:

(ведомых) и задних (ведущих) колёс грузовых автомобилей типа ГАЗ, ЗиЛ, КамАЗ и автобусов ЛАЗ.

т

6. Определены коэффициенты корректирования ресурса шин а зависимости от категории условий эксплуатации.

Практическая ценность. Создана оборудование для испытания шин на износ протектора в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.

Разработанный расчётно-экспериментальный метод оценки • износа шин в условиях эксплуатации по результатам стендовых испытаний позволяет корректировать пробег шин по . износу протектора в зависимости от дорожных условий, при которых они эксплуатируются.

Реализация работы. Разработанное оборудование и методика испытания шин в условиях, приближённых к эксплуатационным, внедрены в производство на А/0 "Волтаир" и П/0 "Бобруйскшина". Результаты расчётно-экспериментальных исследований влияния режимов нагружения и дорожных факторов на износ шин используются в учебном процессе на кафедре "Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей" Волгоградского государственного технического университета.

Апробация работы. Результаты работы докладывались I на научных конференциях 1983-1995- годов в Волгоградском государственном техническом университете/

на первой Всесоюзной конференции "Проблемы шин и рези-нокордных композитов" в 1989 году;

на втором Всесоюзном симпозиуме "Проблемы шин и резино— кордных композитов. Прочность и долговечность" в НИИ шинной промышленности в 1990 году.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 18 научных работ и получено 2 авторских свидетельства.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четыр< глав, выводов,*"списка используемой литературы и приложений содержит 144 страницы .основного текста, 39 рисунков и : таблиц. Библиография включает 99 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ч.

Во введении показана актуальность решаемой проблемы дана краткая аннотация выполненной работы.

В первой главе приведён анализ работ, посвященных ис ,следованиям, направленных на повышение износостойкости увеличение срока службы шин, работающих при различных усдс виях нагружения.

Теоретические и экспериментальные исследования, Hanpai ленные на повышение износостойкости и долговечности иаи нашли отражение в трудах В. JI. Еидермана., JI.E. Белове М.В.Борового, Г.Н.Бродского, Т.Н.Володиной, И. В.Ваксельма на, Н.И.Глаголева, В.А.Гудкова, И.А.Дон, Е.Ф.Евстратовг А.В.Запорожцева, С.А.Захарова, С.П.Каноныхина, Е.В.Кленнк кова, И.В.Карагельского, Н.М.Кислицина, И.В.Кнороза П.И.Лохина, Д.В.Медеркулова, В.И.Новопольского, Е.Ф.Непоы нящего, А.Г.Опёнкова, В.А.Пугина, А.С.Паршина, С.В.Ратнера М.М.Резниковского, Н.И.Селезнёва, Л.Д.Слюдикова, A.M.Симе ненко, О.Б.Третьякова, В.Н.Тарковского, А.Ф.Фортункова А.А.Юрченко, A.Schallaraah, S.K.Clark, F.Böhm, V.E.Gough C.S.Baker, T.R.Wallace, G.Bode и ряда других авторов.

Проведённый анализ теоретических и экспериментальны работ позволил установить, что:

1} Износостойкость протектора является важной эксплуатационной характеристикой автомобильных шин, определяющей их ресурс по износу протектора;

2) Изучением взаимодействия автомобильной шины с опорной поверхностью занимаются многие ученые как у нас, так и за рубежом. Однако, в проведённых исследованиях процессы износа автомобильных шин с качественной стороны не достаточно полно раскрыт-'. Количественная оценка износа- протектора шин, эксплуатируемых в различных дорожных условиях,- до настоящего времени не решена;

3) Усталостная теория износа наиболее полно отражает явление истирания резины протектора автомобильных шин и используется многими учёными/

4) Условия эксплуатации автомобильного транспорта и режимы нагружения шин оказывают существенное влияние на износостойкость протектора. Влияние этих факторов на износ протектора до настоящего времени изучено недостаточно полно;

5) Оценка износостойкости протектора производится в условиях стендовых и дорожных испытаний. Стендовые испытания более производительны и обладают лучшей воспроизводимостью, по сравнению с дорожными. Однако, известные лабораторные установки и методики испытания требуют дальнейшего усовершенствования, с целью максимального приближения стендовых условий нагружения к эксплуатационным.

Решение вышеуказанных задач, стоящих перед специалистами автомобильного транспорта и шинной промышленности в области повышения износостойкости протектора автомобильных шин, возможно при проведении дальнейших исследований по изучению влияния режимов нагружения и дорожных факторов на

износ шин в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.

В соответствии с вышесказанным, сформулированы следующие задачи исследования:

1) Усовершенствовать методику и оборудование стенда

ИПЗ-4МИ с целью расширения функциональных л возможностей

стенда по оценке износостойкости протектора шин в условиях, максимально приближённых к эксплуатационным;

2) Провести стендовые испытания шин и установить влияние режима нагружения боковыми и продольными силами при

' 'различных скоростях качения, нормальной нагрузке и внутреннего давления на износостойкость шин;

3) Разработать расчётно-экспериментальный метод оценки износа шин, эксплуатируемых в различных дорожных условиях; .

4) Провести исследование влияния дорожных факторов на износ шин и дать рекомендации по дальнейшему совершенствованию метод* оценки износа шин в реальных условиях эксплуатации.

Во второй главе дана оценка влияния эксплуатационных факторов на износ шин. Выявлены основные параметры, определяющие износ шин, и их связь с эксплуатационными факторами.

■ Разработана общая методика определения износа шин 'в эксплуатации по результатам стендовых испытаний.

Используя принцип суперпозиции о независимости влияния параметров нагружения шин (Р», РХ,Р?) и эксплуатационных факторов (Ри, V,) на износ шин, суммарный износ протектора представляется следующими составляющими

СГ = СТв + АЛ« + + ДЛру + А^ + ДЛ, , (1)

где Jt - износ шины ведомого колеса при качении без увода по бетонной поверхености, находящейся в удовлетворитель-

состоянии, при среднеэксплуатационных значениях темпе-уры окружающей среды, скорости качения V., нормальной рузке Р. и начальном внутреннем давлении Р«/ ДЛ?х и - приращение износа от действия продольной Рх оковой Ру сил, соответственно;

АЛ»,, АЛ4*., ДЯ» - приращения износа в случаях, когда Рх, 1 V отличаются от средних значений.

Такой подход позволяет оценить влияние параметров на-кения (Р„ Р*, Ру) и эксплуатационных факторов (РИ/ V)' в яичных условиях эксплуатации, используя при этом устано-аные в работе связи этих параметров с параметрами экс-атационных факторов.

Состояние дорожного покрытия и климатические условия но учесть соответствующими коэффициентами. Тогда, износ в различных дорожно-климатических условиях найдётся как а, = .Т'Кя'К, . 12)

С учётом выражений (1,2) процесс формирования износа а различных условиях эксплуатации можно изобразить схе-представленной на рис. 1.

Считывая, что в реальных условиях эксплуатации авто-шей значения параметров нагружения (Р„ Р„РУ) и экс-яационных факторов (РМ,У.) не стационарны, то весь

маршрут движения автомобиля следует разбивать на характерные участки, где значения этих параметров и эксплуатационных факторов равны или близки между собой.

Тогда, средний износ за пробег найдётся в виде

I ' ' 'л.

Л**--— . (3)

I* - -

где - износ на / участке;

п - количество характерных участков/ Ь - пробег автомобиля.

Применяя такой подход для решения задачи определение износа, в различных условиях эксплуатации, необходимо имет! связь параметров нагружения шин с износом протектора. В реальных условиях эту задачу решить .практически невозможнс из-за множества и нестабильности влияющих на износ факторов. Поэтому, её целесообразно решать методами стендовы: испытание.

В третьей главе представлена конструкцк! усовершенство' ванного стенда, позволяющего приблизить стендовые услови. нагружения шины боковой и продольной силами к эксплуатаци онным за счёт создания нагружающего устройства с бедступен чатым регулированием величин силовых факторов.и регистраци ей их в процессе испытания. Приведены материалы по отработ ке отдельных положений методики испытания шин в стендовы условиях.

В четвёртой главе приведены результаты исследовани влипния режимов нагружения и дорожных факторов на изно шин.

Проведенные стендовые испытания шин позволили установить характер изменения интенсивности износа протектора шин эт изменения режима нагружения продольными и боковыми силами. На рис. 2 представлены результат» испытания шин 220-508Р модели ИЯ-112 до оценке изменения интенсивности износа протектора от продольной и боковой сил при изменении их в пределах от О до 2-х среднеэксплуатационных значений. Обработка результатов испытаний показала, что для описания изменения интенсивности износа протектора при одновременном действии на шину продольной и боковой сил, с достаточной для практических целей точностью, можно пользоваться полиномом вида

■ г - ъ + Вх-Р," + Вг-Р/ + В,'Р„*'Р,* , (4)

где СГв - интенсивность износа протектора шин при качении колеса в ведомом режиме при отсутствии продольных и боковых сил, мт/км;

- значения продольных и боковых сил, кН;

Ви В1,Ва - коэффициенты, обусловленные условиями нагружения И конструкцией шины, мг/км-кН;

п,т,к - показатели степени, характеризующие степень влияния продольной и боковой сил на изменение интенсивности износа протектора шин.

Аналогичные результаты были получены при испытании грузовых шин размером 240-508, 260-508 и 280-508. И оценено влияние отдельных конструктивных параметров на изменение . интенсивности износа шин.

В стендовых условиях изучено влияние нормальной нагрузки, начального внутреннего давления и скорости качения на изменение интенсивности износа протектора шин. На рис. 3 представлены результаты изменения интенсивности износа про-

Интенсивность износа протектора шин 220-508Р модели ИЯ-112 от Соковых Ру и продольных Рх сил

Рх - 10,0 кН, Рм - 0,33 МПа, V - 45 км/ч Рис. 2

Изменение интенсивност». износа 0" протектора гр>.зовой шины 280-508 модели ИВл-1 от величин: начального внутреннего давления 1, но^малиной нагрузки 2 и скорости качения 3

ооо

А*.

к«

\

ГЭ

эсо

0,5 0,73 1,0 1,г 5 Х.З

Рис. 3

ектора грузовой шины 280-508 от изменения нормальной на-рузки, скорости качения и начального внутреннего давления, становлено, что при изменении этих параметров в пределах ,5+1,5 от среднеэксплуатационных приращение интенсивности зноса изменяется по линейному закону и может быть описана равнениями вида

Ыгж - К,(Р,-Р„р),

й^р« - {^(Р^ср-Р.), (5)

ДО* - К» (У-Уср) ,

где Р|ср^ Р»ср# Усв - средние значения нормальной нагрузи, внутреннего давления и скорости качения, соответственно К, МПа и км/ч;

Рж, Р„, V - текущие значения нормальной нагрузки' (кН), нутреннего давления (МПа) и скорости качения (км/ч);

Кж, К», К» - коэффициенты изменения интенсивности износа ин от нормальной нагрузки, внутреннего давления и скорости ачения, мг/км«кН, мг/км-МПа, мг/км'км/ч соответственно.

Полученные зависимости (1,2) и общая методика определе-ля износа шин в условиях эксплуатации позволили учесть пияние дорожных факторов (подъёмов, уклонов и поворотов в пане) на износ шин автомобиля при различных режимах движе-ля. Это позволило, в свою очередь, определить в первом зиближении коэффициенты корректирования ресурса шин по из-эсу протектора для принятых категорий условий эксплуата-■1И, учитывающих условия движения, рельеф местности и кате-эрию дорог.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанное и созданное оборудование для испытаю шин на износ протектора в лабораторных условиях позволяв максимально приблизить стендовые условия нагружения шин эксплуатационным. Элементы конструкции стенд., защпцены а! торскими свидетельствами № 1364943 и » 1749753.

2. Разработана и внедрена в производство методика дI определения интенсивности износа протектора автомобильнь шин в стендовых условиях (СТИ-4-85, Приложение П.5). Мете дика позволяет проводить сравнительную износостойкость лре тектора с различными конструктивными параметрами в услови ях, максимально приближённых к эксплуатационным.

3. Проведёнными исследованиями установлено, что изнс автомобильных шин определяется следующими основными факте рами: нормальной нагрузкой, внутреннем давлением в шине скоростью качения, продольной и Соковой силами. Выявлено что в большей степени износ шин зависит от действующих н шину боковых и продольных сил.

4. Результаты стендовых испытаний показали, что законо мерность изменения износа протектора автомобильных шин о действия боковой и продольной сил, соответствующих э'ксплуа тационным, подчиняется степенной зависимости = + В Л" + В2Р," + ВзРх*Ру* , (при п=2, ш=2+5 и к=1,5). Изменение изно са шин при изменении нормальной нагрузки, внутреннего дав ления и скорости качения в эксплуатационных диапазонах про исходит по закону, близкому к линейному.

5. Проведённые стендовые испытания шин позволили уста новить влияние конструктивных факторов на изменение износо стойкости протектора.

5.1. Интенсивность износа протектора радиальных на • 10+20 У* ниже, чем у диагональных шин одинакового типоразмера.

5.2. Повышение жёсткости элементов рисунка протектора способствует снижению износа. Так, шины с ромбовидными шашками, расположенными на беговой дорожке большей диагональю в направлении действия продольной или боковой силы, имеет меньшую на 10+15 */% интенсивность износа, чем у шин с шашками, расположенными поперёк направления действия этих сил.

5.3. Применение металлического брекера способствует снижению интенсивности износа в два' раза, по сравнению с шинами с полиамидным брекером, за счёт повышения жёсткости короткой части покрышки.

5.4. Расчленение сплошных продольных рёбер на отдельные шашки позволяет снизить интенсивность износа на 5+7 за счёт снижения концентрации продольных касательных напряжет ний в контакте шины с дорогой.

6. Предложенный расчётно-экспериментальный метод оценки износа шин в условиях эксплуатации позволяет установить влияние основных дорожных факторов и режимов движения автомобиля на изменение интенсивности износа протектора.

6.1. При равномерном движении автомобиля по прямолинейному и горизонтальному участку со скоростью от 20 до 70 км/ч интенсивность износа изменяется по линейному закону для шин как передних (ведомых), так и задних (ведущих) колёс. При повышенных скоростях движения интенсивность износа шин задних (ведущих) колёс изменяется по степенной зависимости, в связи с ростом продольных сил. При движении автомобиля с ускорением или замедлением интенсивность износа

протектора резко возрастает за счёт роста действующих прс дольных сил.

6.2. Движение автомобиля на подъёмах или уклонах сопрс вождается ростом интенсивности износа шин ведущих кояё вследствие роста продольных сил, возникающих' при преодоле нии автомобилем подъёмов или уклонов , ч*

6.3. При движении автомобиля на поворотах о различно скоростью интенсивность износа тем выше, чем меньше радиу поворота и выше скорость, в связи с действием цеытробежно силы, которая нагружает шины боковой силой. Удельная интеы сивность износа (интенсивность износа, отнесённая к мощ ности, передаваемая колесом) позволяет определять оптималь ные {с точки зрения износа шин) режимы движения автомобил на поворотах. Так, при движении автобуса JIA3-695 на поворо .тах с радиусом поворота в плане 100, 200 и 400 метров с скоростью 50, 70 и 90 хм/ч, соответственно, наблюдается ми нимальная сдельная интенсивность износа протектора шин, че при движении с большей или меньшей скорость».

7, Анализ режимов нагружения шин основными факторами определяющих их износ в различных дорожных условиях, позво лил с помощью расчётно-экспериментального метода определит; интенсивность износа шин, эксплуатируемых в различных ДО' рожных условиях и получить коэффициенты корректирования ре' сурса шин по износу протектора для общепринятых категорий эксплуатации (I - 1,0/11 - 0,87/ III - 0,84/ IV - 0,78/ 1 - 0,71), учктитвакщих условия движения (движение на загородных, пригородных, городских дорогах), рельеф местности i категорию дорог.

8. Перспективным является продолжение исследований i этой области с целью разработки и внедрения дифференциро-

ванных норм ресурса шин, эксплуатируемых по порогам с раз- . личными покрытиями в различных климатических зонах.

Основные положения диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. A.C. 1364943 СССР, G 01 М 17/00. Стенд для испытания агрегатов транспортного средства..

2. A.C. 1749753 РФ, G 01 М 17/00. Стенд для испытания колёс с эластичными шинами.

3..Гудков В.А., Кубраков В.П., Тарновский В.Н. Факторы, влияющие на интенсивность износа протектора автомобильных шин. : Деп. рук. -М, ЦНИИТЭнефтехим, 1988. »47. НХ88.

4. Гудков В.А., Ревин A.A., Кубраков В.П. и др. Определение режимов нагружения шин в городских условиях эксплуатации. // Пути интенсифик. работы автомоб. трансп. : Меж-вуз. сб. / Саратовский политехи, ин-т. - Саратов, 1989. -С. 101-104.

5. Гудков В.А., Кубраков В.П., Тарновский В.Н. Влияние режима качения колеса на износ протектора автомобильных шин. // Вопросы проектир. и исслед. автомобилей. : Межвуз, сб. / МАШ - Москва 1989. - С. 99-104.

6. Гудков В.А., Кубраков В.П., Тарновский В.Н. Влияние режимов эксплуатации на износостойкость автомобильных шин. // Проблемы шин и резинокордных композитов : Тезисы I Все-союзн. конфер. / НИИШП - Москва, 1989. - С. 1-5.

7. Гудков В.А., Кубраков В.П., Тарновский В.Н. Оценка-ресурса автомобильных шин в различных дорожно-климатических условиях // Научные основы и пути создания шин и технологии их производства уровня 2000 года i Тезисы докладов отраслевой научно-техн. конференции / НИИШП Москва, 1988. С. 6-8.

Б. Гудков ВА., Кубраков ВЛ., Тарновский В Л.. Оценка срока службы автомобильных шнн на основании результатов стендовых испытаний. II Проблемы шин и резинокордных композитов: Тезисы докладов 2 Всесоюзн. симпозиума / НИИШП - Москва 1990. - С. 38-41.

9. Гудков ВА., Кубраков В.П., Тарновский В.Н. Оценка срока службы автомобильных шин на основании результатов стендовых испытаний. И Каучук и резина. -1991. - № 7. - С. 33-34.