Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Общее проблемы обеспечения подвижности транспортных средств при повреждении шины 9
1.2. Обзор и анализ конструкций ВДО 12
1.3. Описание типового конструктивного исполнения внутренней дополнительной опоры 29
1.4. Анализ структурных особенностей и механических свойств полиуретанов 31
1.5. Теоретические зависимости, применяемые для описания движения деформируемого колеса по твердому опорному основанию 37
1.6. Анализ и выбор численных методов моделирования движения одиночного колеса 40
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Основные положения метода обеспечения подвижности автомобиля при отказе пневматических шин путём применения внутренних дополнительных опор из ПКМ в колёсах 47
2.1. Определение основных параметров колёсного движителя и геометрических размеров ВДО 47
2.2. Оценка влияния трения в контакте между шиной и ВДО на силовую и тепловую нагруженность колеса 51
2.3. Выбор материала ВДО и описание его математической модели 54
2.4. Расчетные схемы режимов нагружения колеса
2.5. Оптимизация геометрических параметров ВДО 58
Стр.
2.6. Метод определения конструктивных параметров ВДО из композиционных материалов (эластомеров) 63
Выводы по главе 2 69
Глава 3. Применение метода определения конструктивных параметров ВДО из композиционных материалов (эластомеров) для создания реальной конструкции 70
3.1. Анализ исходных данных 70
3.2. Выбор комплектующих и материалов 72
3.3. Определения коэффициента трения 75
3.4. Определение основных размеров конструкции 81
3.5. Определение максимальных допустимых напряжений для выбранного режима работы. 82
3.6. Оптимизация конструктивных параметров ВДО 89
3.7. Поверочные расчёты 94
Выводы по главе 3 96
Глава 4. Экспериментальные исследования 97
4.1. Оценка работоспособности методики определения максимальных напряжений в эластомере для выбранного режима работы ВДО 97
4.2. Оценка сопротивления качению колеса, оборудованного ВДО . 103
4.3. Экспериментальное определение тепловой нагруженности колёсного движителя и ресурса ВДО 109
Выводы по главе 4 119
Общие выводы и результаты 121
Перечень используемых сокращений 124
Список литературы
- Анализ структурных особенностей и механических свойств полиуретанов
- Оценка влияния трения в контакте между шиной и ВДО на силовую и тепловую нагруженность колеса
- Выбор комплектующих и материалов
- Оценка сопротивления качению колеса, оборудованного ВДО
Введение к работе
Актуальность темы. Одно из направлений решения задачи снижения уязвимости транспортного средства к повреждению колёсного движителя, в том числе, в результате попадания автомобиля под обстрел – это создание специальных конструкций колёс с применением упругодемпфирующих элементов из композиционных материалов, монтируемых на ободе и применяемых с бескамерной шиной. Такие конструкции позволяют обеспечить достаточную подвижность транспортному средству после падения воздушного давления в шине до атмосферного или применяются без шины (Рис.1). Наиболее перспективными и распространёнными на сегодняшний день являются конструкции, эксплуатируемые совместно с пневматической шиной. Чаще всего они представляют собой пневматическую шину со смонтированной внутри на ободе колеса внутренней дополнительной опорой (ВДО) из полимерного композиционного материала (ПКМ).
Рис.1. Современные конструкции ВДО
Синтез подобного колёсного движителя и анализ на стадии проектирования характеристик конструкции с учетом особенностей композиционного материала, а также оптимизация размеров и формы, а также проведение поверочных расчётов c целью обеспечения заданной подвижности колёсной машины является актуальной задачей. В настоящее время эти задачи могут быть решены с использованием метода конечных элементов (МКЭ).
Данный метод позволяет с большой точностью решать задачи механики твердого тела, тепло- и массопереноса и другие нелинейные задачи для конструкций сложной геометрии. Кроме того, метод дает возможность интегрировать процесс расчета в процесс проектирования, в рамках которого
возможен выбор рационального конструктивного решения с приемлемыми временными затратами.
Следует отметить, что анализ эксплуатационных свойств колёсного движителя, оснащённого внутренней колёсной опорой, на стадии проектирования является достаточно сложной, существенно нелинейной задачей.
Цели и задачи. Целью работы является повышение подвижности колёсной машины путём применения колёсного движителя, оснащённого ВДО из ПКМ.
Для достижения цели в диссертации обоснованы и решены следующие задачи:
-
обоснованы требования к колёсному движителю, оборудованному ВДО, на основе анализа выполненных ранее работ, в том числе проведённого патентного поиска;
-
разработана математическая модель колёсного движителя, оснащённого ВДО из полимерных композиционных материалов;
-
разработан метод определения конструктивных параметров ВДО из эластомера для заданных условий эксплуатации колёсного движителя;
-
с использованием предлагаемого метода разработаны предложения по конструкции ВДО колеса для многоцелевого полноприводного автомобиля полной массой 4 тонны и экспериментально оценена работоспособность принятых решений.
Методы исследований. Исследования проводились аналитически и с помощью математического моделирования воздействия на ВДО нагрузок с использованием численного метода конечных элементов в пакете для инженерно-технических расчётов Ansys Student. Исследование свойств, связанных с работоспособностью полиуретана в заданном режиме работы, проводились расчётно-экспериментальным методом. Экспериментальные исследования основывались на испытании колёсного движителя, оснащённого ВДО, многоцелевого полноприводного автомобиля, разработанного на кафедре колёсных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана по заказу ФКУ НПО «СТиС» МВД России в рамках опытно-конструкторской работы шифр «Ансырь».
Научная новизна заключается:
- в математической модели колеса с ВДО из композиционного
материала (полиуретанового эластомера), которая позволяет оценить
характеристики ВДО. Точность математической модели колеса, оснащённого
ВДО, подтверждена экспериментально. Особенностью математической
модели является учёт гиперупругих свойств эластомера.
- в разработке метода создания безопасных колесных движителей из
композиционных материалов (полиуретанового эластомера), отличающегося
наличием цикла оптимизации основных конструктивных параметров,
направленной на минимизацию массы конструкции при заданном уровне допускаемых напряжений.
Практическая ценность работы. По результатам выполненных исследований предложен конструкционный облик внутренней дополнительной опоры для автомобиля многоцелевого назначения. Для практического использования разработан алгоритм создания безопасного колёсного движителя и определения оптимальных геометрических размеров конструкции ВДО для заданных условий эксплуатации.
Разработанный метод прогнозирования механического поведения и работоспособности ВДО из ПКМ под нагрузкой позволит сократить сроки проектирования и доводочных испытаний колёсного движителя. Научные положения диссертации, которые выносятся на защиту, обоснованы и подтверждены сопоставлением результатов расчётов с данными экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются при выполнении соответствующих опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ в НИИ Специального Машиностроения, на кафедре колёсных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана, внедрены в Результаты работы внедрены в практику проектирования в ОАО «ЦНИИСМ» (Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения) и используется в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре колесных машин МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались
-
на научно-технических семинарах кафедры Колёсных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2013…2016 гг. (г. Москва);
-
на научно-техническом семинаре в МАДИ в 2015г. (г. Москва);
-
на 26-ом симпозиуме "Проблемы шин, РТИ и эластомерных композитов" в 2015г. (Московская обл., пос. Поведники). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных
работ, в том числе 3 – в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ общим объёмом 2,44 п.л., получен патент на полезную модель.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих результатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 135 листах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 10 таблиц. Список литературы работы содержит 99 наименований.
Анализ структурных особенностей и механических свойств полиуретанов
Под подвижностью колёсной машины (КМ) подразумевается любая способность к перемещению [80,84]. Особое значение подвижность имеет для боевой колёсной машины. В военной литературе подвижность условно подразделяется на техническую, тактическую и оперативно-тактическую. [1] td Оперативно-тактическая подвижность – способность к перемещению из одного района в другой. Она охватывает группу свойств, связанных с движением, и группу свойств, не связанных непосредственно с движением (но связанных с организацией движения и подготовкой к нему). td Тактическая подвижность включает в себя техническую подвижность, а также ограничения района, выделенного для боевых действий, по непроходимости (полной потере подвижности) [86], включая и ограничения по преодолению прибрежных зон и водных преград. td Техническую подвижность определим, как состоящую из быстроходности, дорожной подвижности, внедорожной подвижности, проходимости. td На сегодняшний день пневматическая шина является главной составляющей абсолютного большинства колёсных движителей, применяемых в автомобилестроении. Изобретение первой конструкции пневматической шины, послужившей отправной точкой в развитии шинной промышленности, приписывают английским изобретателям Джону Бойду Данлопу и Роберту Уильяму Томсону. Данлоп изобрел надувную велосипедную шину, запатентовав своё изобретение в 1888 году, однако в последствии его патент td 10 td был аннулирован в интересах поданного ранее патента Томсона, который уже запатентовал пневматическую шину в 1845 году.
С тех пор конструкция пневматической шины претерпевала множественные изменения, что привело к большому многообразию типов пневматических шин, классифицируемых по десяткам признаков. td Несмотря на кажущуюся простоту, современная пневматическая шина представляет собой сложную многослойную композиционную конструкцию, основным недостатком которой является низкая надежность, вызванная высокой вероятностью повреждения герметичной газонаполненной оболочки в процессе эксплуатации автомобиля [2,77]. Это обстоятельство существенно снижает безопасность и общую надежность современных автомобилей. td Применение типовых колёсных узлов с пневматической шиной на военной автомобильной технике ограничивает повышенная уязвимость конструкции к поражению пулями, осколками снарядов или брони, что резко снижает подвижность боевой колесной машины. td Одним из путей решения этой проблемы является применение специальных конструкций – внутренних дополнительных опор (ВДО), монтируемых внутри пневматической шины на обод колеса, которые при повреждении газонаполненной оболочки обеспечивают частичное или полное сохранение подвижности колесной машины [3]. Другое решение заключается в полной замене пневматической шины на упругий элемент из эластичного композиционного материала, однако применение таких колёс сильно ограниченно ввиду невозможности их длительной работы при высоких скоростях из-за высокого тепловыделения, приводящего к разрушению всей конструкции [71].
Основной недостаток ВДО также связан с невозможностью передвижения на высоких скоростях после вступления опоры в работу из-за высокого тепловыделения, приводящего к разрушению шины, и снижения устойчивости и управляемости колесной машины [4]. Причинами высокого тепловыделения после вступления опоры в работу является внутреннее гистерезисное трение в шине и ВДО, а также их взаимное скольжение с трением, которое возникает в результате разности длин беговых дорожек опоры и шины. При сборке большинства конструкций ВДО в шине, внутренняя поверхность шины смазывается для уменьшения её износа при фрикционном контакте опоры и шины. td Интенсивный нагрев колёс со вступившей в работу ВДО увеличивает вклад колёсного движителя в формирование инфракрасного теплового поля колесной машины. Современные образцы шин с внутренней опорой могут разогреваться до температуры в 125С и выше, что создаёт ощутимый температурный контраст с окружающей КМ средой [5]. Контраст в разнице температур внешних элементов объекта и окружающего фона при наличии у противника технических средств разведки определяет тепловую или инфракрасную скрытность автомобиля. td Применение современных композиционных материалов, обладающих малым внутренним гистерезисным демпфированием и повышенными антифрикционными характеристиками, может существенно уменьшить этот недостаток [81]. td Помимо низкого тепловыделения к конструкциям шин, оснащенных ВДО, предъявляется целый комплекс требований. Такие конструкции должны обладать необходимой несущей способностью, боковой жесткостью, малым сопротивлением качению и большой надежностью, кроме того, они должны обеспечивать возможность длительного движения КМ на повреждённой шине с достаточно высокой скоростью.
Оценка влияния трения в контакте между шиной и ВДО на силовую и тепловую нагруженность колеса
Колесо с ВДО без избыточного давления в шине С другой стороны, увеличение внешнего диаметра ВДО по отношению к её внутреннему диаметру приводит к снижению боковой жёсткости колеса при движении без избыточного давления воздуха в шине, а также к увеличению его массы, момента инерции и повышению нагруженности опоры силовыми факторами. Таким образом, для создания безопасного колеса рациональным является использование ВДО совместно с низкопрофильной шиной.
Посадочный диаметр ВДО должен обеспечивать её центрирование на ободе, а ширина обеспечивать проходимость при движении на спущенном колесе. ВДО должна обеспечивать надёжное прижатие боковин шины к бортовым закраинам обода.
Принято считать, что проходимость шины определяется её габаритным объёмом [79]. В связи с этим, при применении колеса с низкопрофильной шиной взамен классической конструкции следует обеспечить минимальное изменение габаритного объема. С этой целью следует увеличивать ширину шины в областях беговой дорожки и плечевой зоны, а также посадочную ширину обода.
Создание колёсного движителя в соответствии с предложенной концепцией требует применения ободьев большого диаметра. Применение стальных сплавов для изготовления ободьев такого размера повышает массу и момент инерции колеса и без того отягощённого используемой ВДО. В связи с этим обод для безопасного колеса следует изготавливать из алюминиевых сплавов. Кроме того, для обеспечения возможности монтажа ВДО в колесе обод следует изготавливать продольно-разборным. Предлагаемая конструкция безопасного колеса незначительно уступает по массе и габаритному объему классической конструкции, однако применение в ней ВДО значительно повышает надёжность и безопасность колёсного движителя. Кроме того, применение подобного колеса позволяет упростить компоновку ступичного узла внутри обода за счёт увеличения его посадочного диаметра.
Несмотря на все преимущества использования ВДО, режим движения автомобиля при отсутствии внутреннего избыточного давления в шине является крайне нежелательным. В связи с этим частичную пулестойкость колеса и стойкость к проколам шин следует увеличивать таким образом, чтобы повреждение колёсного движителя не приводило к активации режима вступления в работу ВДО или чтобы максимально сократить длительность работы колеса в этом режиме. Пулестойкость шин с регулируемым давлением может быть повышена при выполнении следующих мероприятий: защите обода слоем резины, применении самозаклеивающихся материалов, увеличении толщины и эластичности резинокордной оболочки, повышении производительности компрессора и пропускной способности трубопроводов и клапанов [1].
Для шин регулируемого давления характерен статический прогиб hz= 0,12-0,30 H [1]. Для исключения возникновения режима работы колеса с постоянным взаимным трением опоры и шины, внешний диаметр ВДО не должен превышать значения где Гвдо внешний диаметр ВДО, dшв - внутренний диаметр шины, hzmax -максимальный радиальный прогиб шины при минимальном значении избыточного внутреннего давления и номинальной нагрузке. Как правило, движение с минимальными значениями давления в шинах происходит по «мягким» грунтам на невысокой скорости. В таких условиях вероятность контакта ВДО и шины мала, а, следовательно, значительное уменьшение гвдо не целесообразно. Рекомендуется принимать значение гвдо: гВДО=0,9..0,95 (2rшв-2Агmax). Увеличение ширины беговой дорожки ВДО Вбд позволяет снизить давление в контакте между опорой и шиной при движении без избыточного давления в колесе и увеличить долговечность шины, а также снизить давление на грунт при работе в данном режиме. В связи с этим, этот параметр должен удовлетворять неравенству: бд 0,3В, где B - ширина профиля шины.
Для снижения силы трения в контакте между ВДО и шиной следует принимать меры по уменьшению коэффициента трения между материалами. Добиться снижения трения можно за счёт интеграции в структуру ВДО вставок из антифрикционных материалов в области беговой дорожки, однако наиболее простой, технологичный и универсальный способ заключается в помещении в зону контакта опоры и шины смазочного материала. К данному материалу предъявляется специфический комплекс требований, таких как высокая несущая способность смазочного слоя, влагостойкость, сохранение свойств в диапазоне температур от минус 40 до плюс 120С. Кроме того, лубрикант не должен оказывать разрушающего воздействия на резину. Для исключения удаления смазки из пятна контакта на беговой дорожке ВДО рекомендуется сделать кольцевые канавки.
Одним из наиболее важных параметров смазывающего вещества является обеспечение минимального коэффициента трения в контакте между опорой и шиной. При движении автомобиля на ВДО с разгерметизированной шиной сила трения может быть определена по формуле:
Выбор комплектующих и материалов
Далее, твердотельная модель импортируется в среду модуля Ansys Static Structural. Расчётная модель ВДО является симметричной относительно плоскостей, перпендикулярных плоскости опорной поверхности, поэтому с целью экономии машинных ресурсов и сокращения времени расчёта в модель включена четверть геометрической модели опоры при учёте граничных условий симметрии. В расчёте рассматривается только нижняя половина ВДО, её конечно-элементная модель приведена на Рис. 3.17. В модели используются объёмные конечные элементы кубической и призматической форм с 20-ю и 10-ю узлами соответственно и тремя степенями свободы в каждом узле.
В соответствии с разработанной методикой, в качестве расчётного случая рассматривается режим нагружения колеса вертикальной силой, приложенной к ободу. Данная сила соответствует нагрузке на колесо при движении колёсной машины по твёрдой опорной поверхности. Для моделирования данного режима работы опоры запрещаются перемещения и повороты конструкции в плоскости перпендикулярной плоскости вращения колеса и плоскости опорной поверхности. Моделируется контакт ВДО и элемента шины, закреплённого относительно опорной поверхности. Расчёт проводится методом последовательных приближений. Для обеспечения возможности адекватного моделирования задачи с большими перемещениями, используются объёмные конечные элементы, имеющие по шесть степеней свободы в каждом узле [13]. Рис. 3.17. Конечно-элементная модель ВДО
В качестве целевой функции оптимизации выбирается зависимость массы изделия от конструктивных параметров, которую необходимо минимизировать. В качестве функционального ограничения выбрано непривышение эквивалентными напряжениями максимально допустимого для данных условий эксплуатации значения tmax = 6,44 МПа. В качестве прямых ограничений выбираются размеры отверстия в стенке ВДО, количество этих отверстий и толщина стенки.
Поиск оптимальных решений производится путём анализа поверхности отклика, построенной на основе результатов 121 решения задачи при разных значениях параметров. В данном случае поверхность отклика – поверхность, отражающая зависимость максимальных эквивалентных напряжений в конструкции ВДО и её массы от трёх варьируемых геометрических параметров. Примеры сечений полученной поверхности отклика приведены на Рис. 3.18.
Сечения поверхности отклика, отражающей зависимость максимальных эквивалентных напряжений в конструкции ВДО от: а – толщины стенки и размера отверстия; б – количества отверстий и их размера; в – толщины стенки и количества отверстий В результате работы алгоритма поиска оптимальных решений получены три точки на поверхности отклика со значениями параметров, близкими к оптимальным, из которых по технологическим соображениям была выбрана одна. Оптимизированная модель приведена на Рис. 3.19.
Аналогичный алгоритм оптимизации был применён и к конструкции с круглыми отверстиями. После проведения расчёта было установлено, что отверстия распределяются по окружности ВДО с достаточной частотой, чтобы целесообразно было объединить их в продолговатые пазы, что оказалось эффективнее с точки зрения снижения массы. Рис. 3.19. Оптимизированная модель ВДО 3.7. Поверочные расчёты
После определения геометрических размеров ВДО, необходимо провести поверочные расчёты на прочность и жёсткость элементов конструкции. Для достижения максимальной точности решения задачи данные расчеты также следует проводить методом конечных элементов. Пример результатов расчётов в программном комплексе Ansys приведены на Рис. 3.20. При статическом нагружении конструкции вертикальной нагрузкой максимальные напряжения не превышают 10 МПа, максимальные перемещения находятся в пределах 40 мм. При боковом действии нагрузки максимальные напряжения не превышают 15 МПа, максимальные перемещения составляют около 100 мм. Таким образом, максимальные напряжения при заданном виде нагружения значительно ниже предела прочности данного материала (40 МПа), что свидетельствует о достаточной прочности конструкции. а) б)
Окончательная форма изделия, полученная в результате описанных расчётов приведена на Рис. 3.21. Применение конструкции предполагается совместно с продольно-разборным ободом. Для удобства монтажа конструкции в колесе, опора состоит из трёх секторов, соединённых между собой болтовым соединением. Прижатие бортов шины к бортовым закраинам обода осуществляется распорными секторами (по три с каждой стороны опоры). Для обеспечения присутствия смазки в зоне контакта между шиной и опорой вдоль внешнего диаметра последней предусмотрены кольцевые канавки.
Оценка сопротивления качению колеса, оборудованного ВДО
Опытный образец ВДО (Рис. 4.10) разработан и изготовлен в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре сотрудниками кафедры «Колёсные машины».
Целью проведения натурного испытания колёсного движителя, оборудованного ВДО являлась экспериментальная оценка работоспособности конструкции, её долговечности, тепловой нагруженности, инфракрасной заметности. Испытания проводились на опытном образце штурмового бронированного специального автомобиля «Ансырь» полной массой 4000 кг. Нагрузка на заднюю ось автомобиля составила 19757 Н. Испытания проводились на автополигоне центра испытаний НАМИ. Внешние условия проведения испытаний, приведены в
Объект Тип Максимальная Максимальная Максимальное испытаний покрытия температура влажность атмосферное воздуха в воздуха, % давление, мм тени, 0С рт.ст. Безопасное асфальт 26,8 43 756 колесо с шиной 11.00 R16 и внутренней опорой Для проведения испытаний была разработана методика оценки тепловой нагруженности колёсного движителя с ВДО. Ключевые пункты методики испытаний включают предварительный прогрев испытуемых шин при номинальном давлении, метод определения температурного поля шины с помощью тепловизора из автомобиля, двигающегося совместно с испытуемым, а также описание режимов движения. Испытания колёс с ВДО проведены в соответствии с данной методикой.
Перед испытаниями в шинах колёс задней оси автомобиля были смонтированы опоры из полиуретанов марки СКУ-ПФЛ-100: из менее упругого полиуретана в левом колесе и из более упругого полиуретана в правом колесе.
Для снижения интенсивности износа и разрушения внутренней поверхности шины при взаимодействии с ВДО в зону контакта был нанесен лубрикант. Для оценки влияния лубриканта на работоспособность конструкции, к левому и правому колёсам в сборе с дополнительной опорой были применены разные схемы смазки. В правом колесе была смазана только беговая дорожка опоры, в то время как в левом — вся поверхность шины. Для снижения трения между ВДО и шинами использовалась синтетическая пластичная смазка Huskey Lube-O-Seal.
Испытания проводились до разрушения ВДО. В ходе обработки термограмм проводилась оценка температуры нагрева поверхности следующих элементов шины: протектора, плечевой зоны, боковины, борта. Замеры температуры колёс проводились во время движения из автомобиля, передвигающегося рядом с испытуемым. Видеосъёмка колеса велась с помощью видеокамеры GoPro HERO4 (Рис. 4.11), смонтированной на заднем бампере автомобиля. Данная камера обладает такими преимуществами как небольшая масса и габариты, возможность съёмки видео в высоком разрешении, а также имеет пыленепроницаемый противоударный корпус.
Температурный режим шин определялся при начальном номинальном давлении воздуха в них (pв=4 атм). Прогрев шин производился при скорости движения 30-40 км/ч в течение 15 минут. Температура поверхности шин после прогрева составила около 410С. Термограммы шин после прогрева и остановки приведены на Рис. 4.12.
Исследования тепловой нагруженности шин боестойких колёс проводились при движении автомобиля по асфальтовому покрытию со средней скоростью 35 км/ч без избыточного давления воздуха в шинах заднего моста и с номинальным давлением (pв=4 атм) в шинах переднего моста (Рис. 4.14).
В результате проведения испытаний было установлено, что в первые минуты движения автомобиля происходил интенсивный разогрев шин. Постепенно скорость разогрева шин уменьшалась по мере достижения их поверхности состояния термодинамического равновесия с окружающей средой. Максимальная температура по окончании движения наблюдалась в зоне боковины и достигала 910С перед разрушением левой опоры. Средние температуры поверхности шины при этом составляли: 55,40С в области протектора; 680С в плечевой зоне; 820С в зоне боковины; 660С в зоне борта.
После разрушения ВДО температура шины начала стремительно увеличиваться, наблюдалось дымление. Максимальная температура поверхности колеса достигла 1160С уже через 6 минут после отказа ВДО, в связи с чем было принято решение остановить испытания. Автомобиль преодолел расстояние в 46390 м перед заменой левого колеса. Для определения пути, пройденного автомобилем в процессе испытания использовался GPS регистратор. Перед остановкой максимальные температуры поверхности правой шины (890С) достигалась в зоне боковины. Средние температуры поверхности шины при этом составили: 550С в области протектора; 640С в плечевой зоне; 780С в зоне боковины; 610С в зоне борта.
Полученные при проведении испытаний термограммы, а также значения температур в различных условных зонах шины в зависимости от времени движения представлены на Рис. 4.15 – 4.17. Из графических зависимостей видно, что при движении по асфальтовому покрытию тепловая нагруженность боковины шины значительно выше, чем температура других её областей.
В результате проведения испытаний левая ВДО была разрушена после преодоления расстояния в 46390 м. Далее испытания проводились при отсутствии избыточного давления только в правой шине без замеров температуры. Движение продолжалось в течение 30 минут при скорости 60 км/ч с ускорениями до 90 км/ч. Разрушения ВДО правого колеса не произошло.
По окончании испытаний оба испытуемых колеса были разобраны, опоры демонтированы. Повреждений на внешней поверхности шин обнаружено не было. На внутренней поверхности обоих шин присутствовали значительные повреждения, однако обугливания их внутренней поверхности и поверхности опор не было. Внешний вид шин после испытаний приведён на Рис. 4.18, внешний вид опор – на Рис. 4.19.
По результатам испытаний можно сделать вывод, что при данных условиях движения спущенной шины с ВДО наиболее нагруженным элементом ее конструкции является боковина, где из-за интенсивных деформаций наблюдаются самые высокие значения температуры.
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что шины в области боковины нагреваются значительно интенсивнее, чем в области протектора при движении без избыточного давления. Полученные результаты свидетельствуют о том, что деформации в контакте с ОП оказывают меньшее влияние на тепловую нагруженность шины, чем изгибные деформации, возникающие в элементах боковины, и наиболее теплонагруженным элементом данных шин является плечевая зона и, в особенности, боковина. Разогрев конструкции в этой области на 100% -120% выше чем по протектору, что свидетельствует о её большей силовой нагруженности. Значения температуры шины до выхода из строя ВДО соответствуют требованиям, изложенным в нормативных документах министерства обороны (температура колеса не должна быть более 110 С).
Разрушение левой опоры произошло в областях соединения её сегментов. В этих областях конструкция имеет наименьшую толщину и концентраторы напряжений, создаваемые болтовым соединением. Так как обугливания беговой дорожки ВДО и внутренней поверхности шины не было, можно сделать вывод, что разрушение шин было вызвано не температурой разогрева, а фрикционными явлениями в контакте между ВДО и внутренней поверхностью шины. Внутренняя поверхность левой шины, полностью смазанная лубрикантом была повреждена значительно сильнее чем внутренняя поверхность правой. С высокой степенью вероятности это случилось в результате воздействия на неё обломков разрушенной опоры.
Таким образом, в ходе исследования были испытаны две ВДО из полиуретана с различной твёрдостью. С помощью тепловизионного оборудования было оценено температурное поле боестойкого колеса. Анализ результатов испытания позволил сделать выводы о характере работы и выхода из строя колёсного движителя рассматриваемой конструкции.