Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 Общие положения 13
1.2 Техническая диагностика тормозных систем АТС 17
1.3 Контроль тормозных систем АТС в условиях эксплуатации 21
1.3.1 Анализ конструкции и применимости тормозных площадочных стендов
1.4 Взаимодействие шины тормозящего колеса АТС с плоской опорной поверхностью 34
1.4.1 Обзор математических моделей для описания стационарных характеристик сцепления шин 39
1.5 Выводы по первой главе 46
1.6 Задачи исследования 48
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки повышения информативности дорожного метода диагностики тормозных систем автотранспортных средств в условиях эксплуатации 50
2.1 Разработка математической модели, учитывающей механику взаимодействия пятна контакта шины тормозящего колеса с плоской опорной поверхностью 50
2.1.1 Разработка структурной схемы процесса торможения колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности 52
2.1.2 Математическая модель процесса торможения автомобильного колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности
2.1.2.1 Математическое описание скорости движения точек в пятне контакта шины с плоской опорной поверхностью 57
2.1.2.2 Математическое описание радиальной деформации эластичной шины на плоской опорной поверхности 59
2.2 Математическая модель процесса торможения АТС на площадочном стенде 65
2.2.1 Математическое описание процесса торможения автомобильного колеса на площадочном стенде 66
2.2.2 Математическое описание колебаний нормальных реакций на колесах АТС при его торможении на площадочном стенде 68
2.2.3 Математическое описание процесса позиционирования колес АТС при его торможении на площадочном стенде 70
2.2.4 Математическое описание процесса торможения АТС в дорожных условиях 72
2.3 Алгоритм построения (ф - S) - диаграмм с использованием эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шины 74
2.4 Аппроксимация результатов аналитических и экспериментальных исследований процесса торможения АТС на плоской опорной поверхности 77
2.5 Выводы по второй главе 79
ГЛАВА 3. Методики экспериментальных исследований 81
3.1 Методика контроля технического состояния тормозных систем АТС дорожным методом 82
3.1.1 Оборудование для дорожных испытаний тормозных систем АТС 85
3.1.2 Методика контроля технического состояния тормозных систем АТС на площадочных стендах
3.2 Методика планирования экспериментальных исследований 90
3.2.1 Методика исследования стационарных характеристик сцепления шин с плоской опорной поверхностью 91
3.2.2 Оборудование для исследования эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта 97
3.2.3 Аналого-цифровое преобразование сигналов 108
3.2.4 Методика экспериментальных исследований зависимостей радиуса качения колеса в ведомом режиме от нагрузки на колесо 109
3.3 Методики тарировки систем измерения 111
3.3.1 Тарировка систем измерения нормальных и продольных реакций действующих в пятне контакта 113
3.3.2 Методика тарировка системы измерения тормозной силы 117
3.4 Методика аппроксимации результатов экспериментальных исследований при помощи метода наименьших квадратов 118
3.5 Методика оценки адекватности математических моделей процесса торможения АТС и автомобильного колеса на плоской опорной поверхности 121
3.6 Выводы по третьей главе 123
ГЛАВА 4. Результаты исследования 125
4.1 Экспериментальные исследования радиуса качения колеса в ведомом режиме 126
4.2 Оценка адекватности математической модели процесса торможения автомобильного колеса на плоской опорной поверхности 130
4.3 Результаты экспериментальных исследований стационарных
характеристик сцепления шин с плоской опорной поверхностью 138
4.4 Результаты аналитических исследований стационарных характеристик сцепления шин с плоской опорной поверхностью 148
4.5 Исследование процесса торможения колесас эластичной шиной на площадочном стенде 161
4.5.1 Анализ влияния конструктивных особенностей тормозных
площадочных стендов на их метрологические параметры 162
4.5.2 Исследование процесса позиционирования колес АТС при его торможении на площадочном стенде 165
4.5.3 Исследование процесса торможения автомобильного колеса на площадочном тормозном стенде 167
4.5.4 Анализ причин возникновения погрешностей при измерении тормозных сил на площадочных стендах 172
4.6 Обоснование оборудования для повышения информативности диагностики тормозных систем АТС дорожным методом 182
4.6.1 Высокоинформативный метод контроля тормозных систем АТС в дорожных условиях 189
4.7 Производственная проверка и технико-экономическая оценка результатов проведенного исследования 194
4.8 Выводы по четвертой главе 199
5. Основные результаты и выводы 203
Библиографический список
- Взаимодействие шины тормозящего колеса АТС с плоской опорной поверхностью
- Разработка структурной схемы процесса торможения колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности
- Методика контроля технического состояния тормозных систем АТС на площадочных стендах
- Результаты аналитических исследований стационарных характеристик сцепления шин с плоской опорной поверхностью
Введение к работе
Актуальность работы: Автомобиль является самым массовым и при этом самым опасным транспортным средством современности. Ежегодно в нашей стране в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) гибнет более двадцати тысяч человек - это сравнимо с населением небольшого города. При этом более 98% ДТП происходит при торможении автотранспортных средств (АТС), либо сопровождается торможением. Зачастую эффективность функционирования тормозной системы АТС влияет и на количество ДТП и на тяжесть их последствий. Именно поэтому в условиях эксплуатации АТС особое внимание уделяется контролю технического состояния их тормозных систем, который выполняют либо дорожными, либо стендовыми методами. При всех достоинствах стендовых методов они имеют и очевидные недостатки. Это и относительно большая стоимость стендов, и не высокое качество контроля тормозных систем АТС.
Так, результаты исследований, проведенных в Волжском политехническом университете, показывают, что при положительных результатах испытаний тормозных систем автобусов на стендах с беговыми барабанами, 50% из них при торможении в дорожных условиях не обеспечили нормативное замедление и превысили линейное отклонение.
При этом эффективный дорожный метод, в случае отрицательного результата контроля, не позволяет ответить на вопрос о том, в чем причина низкой тормозной эффективности и/или устойчивости АТС при торможении. Чтобы выявить неисправный тормозной механизм требуется дополнительная дифференциальная диагностика тормозной системы АТС на стенде. Поэтому одним из недостатков дорожного метода контроля технического состояния тормозных систем АТС является его низкая информативность, связанная с отсутствием возможности измерения тормозных сил на колесах АТС. Применение для этого площадочных стендов малоперспективно, поскольку погрешность измерения тормозных сил на них, по данным профессора А.Г.Сергеева достигает 50% и более. Попытка решить эту проблему вступает в противоречие с недостатком знаний о закономерностях взаимодействия шин тормозящих колес АТС с площадками стендов. Поэтому научное исследование, направленное на повышение информативности дорожного метода диагностики тормозной системы АТС в условиях эксплуатации актуально и имеет важное народнохозяйственное значение.
Цель исследования: повышение информативности дорожного метода диагностики тормозных систем АТС в условиях эксплуатации на основе учета механики взаимодействия эластичных шин с плоской опорной поверхностью.
Научная гипотеза: Информативность дорожного метода диагностики тормозных систем АТС можно значительно повысить, если в дополнение к параметрам их тормозной эффективности и устойчивости измерять эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин тормозящих колес с опорной поверхностью дороги.
Объект исследования: Процесс взаимодействия шин тормозящих колес АТС с плоской опорной поверхностью при контроле технического состояния тормозных систем в дорожных условиях.
Предмет исследования: Закономерности изменения параметров, характеризующих взаимодействие автомобильных шин с плоской опорной поверхностью. Закономерности, связывающие эти параметры с параметрами, влияющими на показатели контроля процесса торможения АТС в дорожных
условиях.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель, позволяющую исследовать
процессы взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС с плоской
опорной поверхностью в пятне контакта, рассчитывать стационарные
характеристики сцепления шин на основе эпюр распределения продольной и
нормальной реакции по длине пятна контакта, анализировать погрешности
измерения тормозных сил на площадочных стендах и в дорожных условиях.
2. Получить эпюры распределения нормальных и продольных реакций по
длине пятна контакта шины и проанализировать возможность построения на их
основе стационарных характеристик сцепления шин ((р - S) - диаграмм,
нормированных f(S) - диаграмм, а также определения основных коэффициентов
математической модели шины Pacejka Н.В. - Дика А.Б.
4. Выполнить исследование процесса торможения колес АТС на площадочных
стендах сцелью выявления причин возникновения погрешностей измерения
тормозных сил и закономерностей их изменения от влияющих факторов. На основе
выявленных закономерностей выполнить научное обоснование метода,
повышающего информативность диагностики тормозных систем АТС в дорожных
условиях.
5. Выполнить производственную проверку результатов научного
исследования и дать им технико-экономическую оценку.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Разработанная математическая модель, позволяет исследовать процессы взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с плоской опорной поверхностью, рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин на основе эпюр распределения продольной и нормальной реакций по длине пятна контакта, а также погрешности измерения тормозных сил на колесах АТС;
-
Эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта шин с плоской опорной поверхностью позволяют с достаточной для практики точностью определять стационарные характеристики сцепления шин в виде {(р - S) - диаграмм и нормированных f(S) - диаграмм, а также основные коэффициенты математической модели шины Pacejka Н.В. - Дика А.Б.;
-
Большие погрешности измерения тормозных сил на площадочных стендах связаны с их конструктивными и технологическими особенностями, имеют системный характер, вызваны колебаниями тормозящих колес с площадками стендов и неточностью их позиционирования;
-
Разработанный метод контроля тормозных систем АТС в дорожных условиях, основанный на измерении эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта тормозящих колес, позволяет одновременно определять продольную и нормальную реакции, рассчитывать удельную тормозную силу и коэффициент относительной разности тормозных сил для каждой оси АТС, и при этом, конкретизировать элементы, снижающие показатели его тормозной эффективности и/или устойчивости.
Научной новизной обладают: математическая модель процесса взаимодействия эластичных шин тормозящих колес АТС с плоской опорной поверхностью; установленные закономерности и количественные показатели,
характеризующие взаимодействие эластичных шин с плоской опорной поверхностью; закономерности, связывающие силы, действующие в пятнах контакта шин тормозящих колес на плоской опорной поверхности, с параметрами, влияющими на показатели контроля процесса торможения АТС в дорожных условиях; метод, повышающий информативность контроля технического состояния тормозных систем АТС в дорожных условиях
Теоретическая значимость исследования: Разработанная математическая модель и количественные показатели, позволяют аналитически оценивать механику взаимодействия шин автомобильных колес в пятне контакта с плоской опорной поверхностью. Выполнять анализ процессов торможения колес АТС на плоской опорной поверхности дороги и на площадочных стендах. Выявленные закономерности, и количественные показатели позволяют расчетным методом определять стационарные характеристики сцепления шин с плоской опорной поверхностью, {(р - s) - диаграммы, на основе эпюр распределения продольных и нормальных реакций по длине пятна контакта шин. Определять величины продольных и нормальных реакций на колесах АТС, тормозящих на плоской опорной поверхности.
Практическая значимость исследования:
Предприятиям, выполняющим исследования тормозных систем АТС и разработку оборудования для их контроля и диагностики, результаты научных исследований позволяют значительно повышать информативность дорожного метода контроля тормозных систем.
Центрам инструментального контроля АТС разработанный метод и реализующее его оборудование позволяют измерять тормозные силы на колесах диагностируемого АТС в дорожных условиях, тем самым повышать информативность и объективность контроля тормозных систем, а также частично конкретизировать элементы, снижающие показатели его тормозной эффективности и/или устойчивости, что в свою очередь способствует повышению безопасности автомобилей в условиях эксплуатации.
Методы исследований. В аналитических исследованиях использованы численные методы математического анализа и решения дифференциальных, алгебраических уравнений и неравенств, а также методы математического моделирования. Экспериментальные исследования процессов взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с плоской опорной поверхностью и процессов контроля параметров АТС осуществлялись стендовыми и дорожными испытаниями. Планирование эксперимента, оценка математической модели, а также обработка полученного экспериментального материала осуществлялась при помощи методов математической статистики.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ЗАО Промышленная группа «ГАРО», г. Великий Новгород, в ОАО «ГАТП-3» г. Улан-Удэ, а также в учебный процесс кафедры «Автомобильный транспорт» ФГБОУ ВО ИрНИТУ.
Апробация работы: Материалы и результаты проведенного научного
исследования доложены и получили одобрение на: на III Всероссийской
научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» -Иркутск, в апреле 2013 г.; на 83-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. - Иркутск, в сентябре 2013 г.; на всероссийской Научно-практической конференции с международным
участием «Транспортные системы Сибири. Проблемы безопасности», Красноярск, в октябре 2013г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» - Иркутск, в апреле 2014 г.; на конкурсе научно-инновационных проектов «Изобретатель XXI века» в рамках Всероссийского фестиваля науки - Иркутск, в октябре 2014 г.; на 90-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров - Иркутск, в апреле 2015 г.; на VI Международной конференции «Проблемы механики современных машин» - Республика Бурятия, ВСГУТУ, СОЛ «Ровесник» (оз. Байкал), в июле 2015 г.
Личный вклад автора заключается в разработке математической модели, выполнении расчетов на ней, в разработке методик исследования и участии в изготовлении исследовательского оборудования, в разработке и патентовании объектов интеллектуальной собственности, проведении аналитических экспериментальных исследований, участии в разработке и апробации нового высокоинформативного дорожного метода диагностики тормозных систем АТС от научного поиска до реализации его на практике.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 1 патент РФ, 11 научных статей в сборниках Международных и Всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 199 наименований, в том числе 19 на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 238 страницах машинописного текста и включает 9 таблиц, 95 рисунков и 3 приложения с материалами результатов исследований.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Федотову Александру Ивановичу за помощь в работе над диссертацией.
Взаимодействие шины тормозящего колеса АТС с плоской опорной поверхностью
Данная глава посвящена научному обоснованию мер, направленных на повышение информативности дорожного метода диагностики тормозных систем АТС в условиях эксплуатации. В соответствие с принятой научной гипотезой такой метод будет базироваться на оценке параметров, характеризующих процессы взаимодействия шин тормозящих колес АТС с дорогой. Что позволит повысить активную безопасность АТС и даст дополнительную информацию о техническом состоянии тормозной системы.
Таким образом, для повышения информативности диагностики тормозных систем автотранспортных средств необходимо исследовать процессы, протекающие в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью. В данной главе приведен математический аппарат для аналитического определения стационарных характеристик сцепления шин в виде {(p-s) - диаграмм с использованием эпюр распределения нормальных и продольных реакции по длине пятна контакта эластичной шины.
Исследованию характеристик сцепления шин с опорной поверхностью посвятили свои труды большое количество ученых Балакина Е.В. [13,178], Кнороз В.И. [116], Ечеистов Ю.А. [61], Вирабов Р.В. [30], Малюгин П.Н. [85,88], Бухин Б.Л. [24].
Так эмпирические методы исследований легли в основу трудов Ю.А. Брянского, ЯМ. Певзнера [106], Д.А. Антонова [4], А.С. Литвинова [83,84], А.Б. Дика [10], МБ. Келдыша [69], H.B.Pacejka [194], Е. Bakker [177]. Результаты их научных изысканий позволяют достаточно точно описывать характеристики сцепления шин с использованием экспериментальных данных. Но при этом они не позволяют оценивать другие свойства шины. Использование математического аппарата полуэмпирических моделей для описания характеристик неизвестной шины или режимов её работы {нестационарного увода), требует проведение новых экспериментов.
В трудах таких ученых как И.П. Петров [27,28,29,116], М.А. Левин [80], И. Fromm [182], J.R. Ellis [174], F. Bdhm [179], E. Fiala [181] характеристики сцепления шин описываются на основе физических аналогов путём представления их в виде механических элементов, поддающихся математическому описанию. Изменяя сложность аналога, можно регулировать точность расчетов в сочетании с доступностью параметризации.
Конечно-элементные методы исследования характеристик сцепления шин легли в основу трудов А.Е. Белкина [16,17], Н.Л. Нарской [16,17], О.А. Одинцова [101], Н.С. Вольской, М. Gisper. Разработанные ими математические модели отличаются высокой точностью описания характеристик сцепление шин за счет детального воссоздания их структуры. Но повышенная трудоёмкость построения модели и расчетов на ней сдерживают широкое распространение этого метода.
В данной работе для определения продольных реакций при моделировании процесса торможения колес АТС за основу была принята математическая модель шины авторов Pacejka Н.В. и Дика А.Б. [194]. Эта математическая модель универсальна и проста. Она позволяет моделировать процесс торможения шины с высокой точностью, и к тому же, она получила большое распространение в Мире. Очевидным недостатком модели является то, что для её применения необходимо использовать эмпирические стационарные характеристики шин {(p-s) - диаграммы. В соответствии с поставленными в работе задачами для расчета {(p-s) - диаграмм была предпринята попытка использовать нормальные и продольные реакции шины тормозящего колеса, или эпюры их распределения по длине пятна контакта.
В условиях эксплуатации на объект исследования действует много факторов. Условно их можно разделить на внешние и внутренние факторы, а также на управляющие и выходные параметры. Чтобы разобраться в них, а также выявить их функциональные связи, на первом этапе исследования была составлена и проанализирована структурная схема процесса торможения колес АТС с эластичными шинами на плоской опорной поверхности. Данная схема представлена на рис. 2.1.
Структурная схема процесса торможения колес АТС на плоской опорной поверхности К внутренним фактором можно отнести параметры, характеризующие техническое состояние объекта исследования, такие как износ шины, радиус колеса, площадь и длина пятна контакта, жесткость шины, давление в ней, коэффициенты сцепления и проскальзывания, эпюры распределения продольной и нормальной реакций по длине пятна контакта шины, коэффициент «жесткости» проскальзывания, максимальный коэффициент сцепления, критическое проскальзывание и т.д. Это далеко не полный, но вполне достаточный перечень внутренних факторов системы, позволяющий решать поставленные в работе задачи.
Внешние факторы, не зависят от объекта исследования, но активно на него влияют. К внешним факторам можно отнести температуру окружающего воздуха, его влажность, природные осадки, дорожные условия и т.д.
Для функционирования объекта исследования на его вход подаются управляющие воздействия, такие как скорость АТС, тормозной момент, нагрузка на колесо.
Состояние объекта исследования информативно и довольно полно характеризуют функциональные параметры, которые можно измерить на его выходе: тормозной путь, установившееся замедление, время срабатывания тормозной системы, разность тормозных сил, удельная тормозная сила.
В условиях эксплуатации, именно колеса, оснащенные эластичными шинами, определяют показатели процесса торможения АТС. Ведь именно колеса связывают АТС с опорной поверхностью дороги передавая горизонтальные и нормальные реакции на его кузов.
Разработка структурной схемы процесса торможения колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности
Проведенные исследования [148], целью которых являлось, определить наиболее рациональный метод расчета стационарных характеристик сцепления шин при затормаживании автомобильного колеса на плоской опорной поверхности показывают: «...модель Н.В. Pacejka и модель парабол являются наиболее универсальными и могут быть настроены на любой вид { р - S) - диаграмм, полученных в результате экспериментальных исследований.» [148].
Эмпирические и полуэмпирические модели позволяют достаточно точно описывать характеристики сцепления шин с использованием экспериментальных данных. Но они не позволяют без сложных дополнений описывать другие свойства шин. Для описания каждой новой характеристики шины или режима ее работы {например, качение с нестационарным уводом), требуется проведение новых экспериментов и усложнения модели [4,57,194,106,].
Кроме вышеизложенных, известны и модели, описывающие характеристики сцепления шин на основе физических аналогов. При этом шину представляют как систему жестких и упругих механических элементов с наложенными на них связями. Такие модели характеризуют поведение эластичных шин в процессе их работы с некоторой степенью приближения. Математические модели на основе физических аналогов разработали такие ученые, как: И.П. Петров [27,28,29,116], М.А. Левин [80], Н. Fromm [182], J.R.Ellis [174],F.B6hm [179], Е. Fiala [181] и др.
Одной из наиболее распространенных, можно считать модель, разработанную И.П. Петровым [27,28,29,116]. Он представил шину как «ленту на упругом основании». Верхнюю часть каркаса и протектор шины моделирует в виде жесткой в окружном направлении ленты, которая прикреплена к ободу с помощью системы нитей, имитирующих боковину шины. Модель способна учитывать конструктивные особенности шины, но она мало пригодна для анализа продольных и боковых сил. В ней не учтены демпфирующие характеристики шины в радиальном и окружном направлениях.
Другая не менее распространенная модель - щеточная модель Левина М.А. [80]. Он представил шину как каркас, на котором расположены щеточные элементы. А сам каркас - это нить на упругом основании. Данная модель описывает стационарные режимы качения автомобильного колеса. Она учитывает коэффициент трения скольжения, демпфирующие характеристики шины в радиальном, окружном и боковом направлениях, распределение массы шины по пятну её контакта и другие особенности. Эта модель предназначалась для исследования процессов качения колеса с эластичной шиной на высоких скоростях.
Модели на основе физических аналогов в данное время используются редко в виду недостаточной информативности.
Самым подробным методом исследования характеристик сцепления шин является метод конечных элементов. Известны математические модели шин на основе метода конечных элементов таких ученых как: Белкин А.Е. [16,17], Бидерман В.Л. [18,19], Вольский Н.С., Лапин А.А. [79], Нарской Н.Л. [16,17], Одинцов О.А. [101], М. Gisper [184,185,186].
При реализации метода конечных элементов шина представляется в виде трехслойной или многослойной оболочечной структуры. Такие модели позволяют более точно описывать характеристики сцепления шин, с опорными поверхностями разного профиля и шероховатости. Они позволяют получать полную информацию о распределении напряжений и деформаций в пятне контакта шины с опорной поверхностью.
Но у этих моделей есть существенный недостаток. Решение большого числа сложных систем уравнений модели процесс очень сложный и весьма трудоемкий. Невозможно применить эти модели для расчетов в реальном времени. А для вычислений с использованием программного обеспечения, реализующего эти модели, необходимо мощную вычислительную технику.
Из всего многообразия методов исследования стационарных характеристик сцепления шин, наиболее приемлемой признана математическая модель Н.В. Pacejka - Дика А.Б.. Она универсальна и проста в использовании. Позволяет моделировать процесс торможения шины с приемлемой для исследований точностью, и к тому же, она широко распространена в Мире. Очевидным недостатком модели является, то, что для ее применения необходимы экспериментально полученные стационарные характеристики шин.
Эмпирические коэффициенты, используемые в уравнениях модели, должны быть получены экспериментально в тех же условиях, для которых моделируется процесс. Однако такие эксперименты требуют специальных методик, сложного и дорогостоящего оборудования. Их проведение требует больших материальных и трудовых затрат, а также энергии и времени. Поэтому практически весь экспериментальный материал, относящийся к качению тормозящего колеса, действителен для ограниченного диапазона режимов и условий испытаний.
То есть, чтобы использовать математическую модель Н.В. Pacejka -Дика А.Б. необходимо для неизвестной шины иметь как минимум нормированную (ф- S) - диаграмму, а это не всегда выполнимо. Например, в процессе диагностирования тормозной системы АТС дорожным методом стационарные характеристики сцепления шин с дорогой отсутствуют.
Таким образом, в рамках выдвинутой в начале данной работы гипотезы, для эффективного использования математической модели Н.В. Pacejka - Дика А.Б. необходимо, во-первых, исследовать механику взаимодействия шины с опорной поверхностью, во-вторых, измерять эпюры распределения нормальных и продольных реакций в пятне контакта шины, в-третьих, использовать полученные эпюры для получения стационарных характеристик сцепления эластичных шин тормозящих колес АТС с опорной поверхностью дороги.
Методика контроля технического состояния тормозных систем АТС на площадочных стендах
Этап 4. Определение продольных и нормальных реакций Rz и Rx, используя их эпюры распределения по длине ЬД пятна контакта шины с плоской опорной поверхностью. Определение продольных и нормальных реакций Rz и Rx связано с выполнением расчетов. Так для вычисления нормальной реакции Rz зависимость ARZ= ffLJ была проинтегрирована с использованием функции вида (2.32). А для вычисления продольной реакции Rx зависимость вида ARX= ffLJ была проинтегрирована с использованием функции (2.33). Полученные для каждой точки проскальзывания S значения продольных Rx и нормальных Rz реакций были использованы для построения ((p-S) - диаграмм.
Этап 5. Построение ( p-S) - диаграмм. Для каждой пары значений продольных Rx и нормальных Rz реакций в каждой заданной точке проскальзывания S были определены значения коэффициента р сцепления шины с плоской опорной поверхностью. Расчеты выполнялись с использованием известной формулы (2.34). Далее, с использованием рассчитанных значений коэффициента сцепления р и проскальзывания S строили графики зависимости вида р =f(S) или {(p-S) - диаграммы.
Этап 6. Построение нормированных J{S) - диаграмм. Полученные ( р-S) - диаграммы стали основой для построения нормированных f(S) -диаграмм, которые являются фундаментом математической модели шины Pacejka Н.В. - Дика А.Б. Для построения нормированных f(S) - диаграмм сначала для каждой ( p-S) - диаграммы выявляли наибольшее из полученных значений коэффициента сцепления - сртах. Затем каждое /-е значение коэффициента сцепления поделили на ьах. Частные от деления: и являются значениями новой нормированной функции от аргумента проскальзывание S, вида f(S).
Этап 7. Определение основных параметров математической модели шины Pacejka Н.В. - Дика А.Б. Как известно, для использования двухмерной математической модели Pacejka Н.В. - Дика А.Б. основанной на функции (2.7) необходимо всего два параметра а и Ъ. Для их определения во второй главе диссертации приведены формулы (2.8 +- 2.11).
Исходными для расчета параметров а и Ъ по формулам (2.8 +- 2.11) являются нормированные функции проскальзывания вида J{S). А именно -полученные на их основе коэффициенты rjs - коэффициент «жесткости» проскальзывания и коэффициент снижения фрикционных свойств шины.
Как уже было отмечено во второй главе диссертации коэффициент rjs -«жесткости» проскальзывания характеризует крутизну нарастания нормированной f(SJ- диаграммы и определяется в начале её координат как [57]:
Коэффициент fb снижения фрикционных свойств шины тоже определяется по нормированной f(S) - диаграмме, как значение f(S) в блоковом режиме, при S = \.
Далее полученные коэффициенты rjs и fb подставляли в формулы (2.8 + 2.11) и определяли коэффициенты а и Ь, которые подставляли в основанную функцию (2.7) математической модели Pacejka Н.В. - Дика А.Б.
Оборудование для исследования эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта
Для реализации вышеперечисленной методики исследования эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта необходимо специальное оборудование. Требование к оборудованию, его системам измерения исследуемых параметров изложены в тексте методике. Автором выполнена разработка и изготовление универсального устройства для исследования процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины. Устройство может быть установлено как в дорожное полотно, так и в стенд, причем, без каких-либо конструктивных изменений. На конструкцию и функциональные свойства этого устройство автором получен патент Российской Федерации [105]. Именно оно стало основой стендового оборудования, при помощи которого были проведены все сформулированные цели и задачи диссертации исследования.
В процессе разработки оборудования для исследования взаимодействия эластичной шины с плоской опорной поверхностью, были проанализированы системные погрешности площадочных стендов, на основе чего была предложена конструкция универсального датчика (рис 3.4 - 3.5) для исследования процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины.
Датчик представляет собой жесткую опорную площадку 2 в виде коробчатой конструкции, которая в своей средней части имеет прорезь шириной 14 мм [105]. В прорезь устанавливается с боковыми зазорами измерительная - балка 1 датчика, шириной 10 мм, которая по краям закреплена с опорами 3 с помощью винтов 4. Рис. 3.4. Датчик для исследования процессов, в пятне контакта эластичной шины с плоской опорной поверхностью: а) вид спереди; б) вид сбоку; в) вид сверху
Для предотвращения поворота измерительной балки - 1 относительно центра винтов 4 она имеет реактивный рычаг 5 соединенный с нежесткой пружиной 8. Эта пружина с помощью винтов закреплена на планке 6.
Общий вид датчика для исследования процессов, в пятне контакта эластичной шины с плоской опорной поверхностью Измерительная балка датчика представляет из себя упругую пластину шириной 10 мм на которую по сторонам наклеены тензорезисторы (рис. 3.6). Тензорезисторы являются элементами, преобразующими деформацию упругой металлической балки в изменение сопротивления тензорезисторов.
На измерительной балке датчика в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях наклеено 8 тензорезисторов. Четыре из них - для измерения элементарных нормальных реакций, распределенных по длине пятна контакта шины, и еще четыре - для измерения элементарных продольных реакций. Горизонтально наклеенные тензорезисторы, при прогибе балки регистрируют элементарные нормальные реакции ARZ. Вертикально наклеенные тензорезисторы при прогибе, регистрируют элементарные продольные реакции ARX в пятне контакта шины с плоской опорной поверхностью. Тензорезисторы включены в измерительную цепь по мостовой схеме. Для усиления сигналов тензорезисторов изготовлены усилители, схема одного из них представлена на рис. 3.7. Усилитель сигналов собран на основе двух операционных усилителей AD-623 и LM-324, обеспечивающих высокие коэффициенты усиления сигналов при малых шумах и нелинейных искажениях.
Таким образом, измерительный датчик с балкой, позволяет измерять эпюры распределения нормальных ARZ и продольных ARX реакций по длине пятна контакта шины в процессе движения колеса с заранее заданной величиной проскальзывания S. -I I 1 I [
На основе этого датчика был разработан стенд для исследования процессов взаимодействия шины в пятне контакта с плоской опорной поверхностью. Опорная поверхность стенда выполнена в виде плоской опорной площадки длиной 2 м, которая способна выполнять продольные перемещения с постоянной скоростью 1 м/с. Стенд содержит устройство для дискретного нагружения колеса нормальной нагрузкой, а также привод, позволяющий вращать колесо с заданной скоростью.
Результаты аналитических исследований стационарных характеристик сцепления шин с плоской опорной поверхностью
Для каждой рассчитанной точки полученных данных задавали 5%-ный уровень значимости, и затем по таблице определяли значение критерия Фишера F(vlv25o/o)= 3,10 [1,36,54,96,114,123]. Расчетное значение критерия Фишера получилось меньше табличного, следовательно, математическая модель является адекватной и не требует доработки. Следовательно, данная модель может использоваться для проведения аналитических исследований процесса торможения автомобильного колеса с эластичной шиной на плоской опорной поверхности.
С помощью данной математической модели были определены основные коэффициенты rjs, /б и (ртах для известной и распространенной в Мире модели шины А.Б. Дика - Н.В. Pacejka [57,162,192,].
Чтоб повысить информативность контроля технического состояния тормозных систем АТС в дорожных условиях необходимо исследовать процессы, протекающие в пятне контакта эластичной шины с плоской опорной поверхностью. Для этого были проведены экспериментальные исследования по методике, описанной в разделе 3.2.1, с целью получения стационарных характеристик сцепления шин на основе эпюр распределения нормальных ARZ и продольных ARX реакций по длине пятна контакта эластичной шины ЬД автомобильного колеса.
Испытаниям были подвергнуты летние радиальные шины (рис. 4.1 -4.3) фирм Amtel Planet 175/70 R13 82Н, Amtel Planet 175/65 R14 82H и Yokohama 205/65 R15 94H. Экспериментальные исследования проводили с целью выявить зависимости rjs= /(RJ, f6 = /(RJ, SKp = /(RJ и w= f(RJ основных параметров ((p-S) - диаграммы от размера колеса, а так же нормальной нагрузки GK.
Испытания проводили на разработанном стенде (раздел 3.2.2). При этом варьировали величиной нормальной нагрузки GK на колесо в диапазоне от 3200 до 4700 Н. Устанавливали значения проскальзывания S = 0,0; 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,1; 0,11; 0,12; 0,13; 0,15; 0,17; 0,20; 0,24; 0,28; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0.
Для каждой величины проскальзывания были получены пары эпюр распределения нормальных ARZ и продольных реакций ARX. Для каждой нагрузки определяли длину пятна контакта шины Ьд. При этом колесо приподнимали, и под него ложили чистый листок формата А4. Колесо опускали, нагружали и после снова поднимали. Доставали лист с оттиском пятна контакта. Измеряли его геометрические размеры.
Для шины Amtel Planet 175/65 R14 82Н длина пятна контакта составила при GK=3200, LR= 115 мм; при GK=3700, LR= 120 мм; при GK=4200, LR= 130 мм; при GK=4200, LR= 145 мм. На рис. 4.10 изображены эпюры распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта этой шины для величин проскальзывания S= 0,0; 0,11; 0,5 и 1,0.
На рис. 4.10 представлен общий вид эпюр для качения автомобильного колеса в ведомом режиме, в точке критического проскальзывания, а так же в режиме «закритического» проскальзывания и в блоке.
На рисунках 4.11 -4.14 представлены формы эпюр распределения нормальных ARZ и продольных ARX реакций по длине пятна контакта при варьировании проскальзывания 0 S 1,0. Нарис. 4.11 -4.14 показаны эпюры 10 эпюр (из 27 полученных в ходе эксперимента) при значениях проскальзывания S = 0,0; 0,01; 0,03; 0,08; 0,1; 0,14; 0,3; 0,5; 0,8; 1,0. Для нормальных нагрузок на колесо GK = 3200, 3700, 4200 и 4700 Н.
Автор не стал выносить на рисунок все 27 эпюр, полученных в процессе проведенного эксперимента, поскольку большое количество графиков затруднит их рассмотрение и анализ.
Эпюры распределения нормальной ARZ и продольной реакции ARX по длине пятна контакта Ьд эластичной шины Amtel Planet 175/65 R14 82Н при G==3700H, давление воздуха 0,21 МПа; износ шины 10% {эксперимент)
Результаты исследования показывают, что при увеличении проскальзывания форма эпюр распределения продольной реакции ARX изменяется от синусоидальной до параболической. При этом на эпюрах продольной реакции ARX в зоне закритического проскальзывания отчетливо видны моменты срыва пятна контакта шины в момент превышения ими предела по сцеплению ARZ JLI0.
После обработки эпюр распределения нормальных и продольных реакций по длине пятна контакта ARX= f[Lj/), ARZ = f[Lj/) для всех вышеуказанных значений проскальзывания и заданных значений нагрузки, были получены стационарные характеристики сцепления шины. По эпюрам распределения нормальной ARZ и продольной реакции ARX рассчитывали величину нормальной Rz и продольной реакций Rx, как площадь под соответствующей эпюрой. По формуле (2.34) рассчитывали коэффициент сцепления рх для каждого значения проскальзывания при каждом заданном значении нагрузки GK=3200, 3700, 4200 и 4700 Н.
Разделив каждую точку стационарной характеристики проскальзывания ((p-S) - диаграммы на #w получали нормированную J{S) диаграмму. На рисунке 4.15 представлена ((p-S) -диаграмма, полученная экспериментальным методом, для шины Amtel Planet 175/65 R14 82Н, при давлении воздуха 0,21 МПа, износе 10%.
Стационарные характеристики сцепления шины Amtel Planet 175/65 R14 82Н, построенные на основе эпюр распределения нормальных и продольных реакций, при давлении воздуха в шине 0,21 МПа; износ шины 10%: а) - (ф-5) - диаграммы; б) - нормированные/ - диаграммы
Результаты исследования показывают, что при варьировании нагрузки на колесо GK в пределах от 3200 Н до 4700 Н, значения коэффициента /б может изменяться до 11%, а максимального коэффициента сцепления фтах только в пределах 1,8 %.
На следующем этапе экспериментальных исследований на стенд установили колесо с летней радиальной шиной Yokohama 205/65 R15 94Н. Эксперименты проводили согласно методике, представленной в разделе 3.2.1 диссертационной работы. При этом варьировали величину нормальной нагрузки GK на колесо в диапазоне от 3200 до 4700 Н. Значения проскальзывания устанавливали дискретно в виде ряда: S = 0,0; 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,1; 0,11; 0,12; 0,13; 0,15; 0,17; 0,20; 0,24; 0,28; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0. Для каждой величины проскальзывания были получены пары эпюр распределения нормальных ARZ и продольных реакций ARX.
Определяли геометрические размеры пятна контакта шины. Для шины Yokohama 205/65 R15 94Н при давлении в шине 0,21 МПа, длина пятна контакта составила при GK= 3200, ЬД= 123 мм; при GK= 3700, ЬД= 134 мм; при GK= 4200, LR= 140 мм; при GK= 4200, LR= 150 мм.