Повышение качества контроля тормозных систем АТС на стендах с кинематически связанными опорными роликами Яньков Олег Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и постановка задач исследования 14

1.1 Общие положения 14

1.2 Методы и средства для диагностики тормозных систем автотранспортных средств 19

1.3 Показатели эффективности функционирования тормозных систем АТС в условиях эксплуатации 22

1.4 Анализ стендов для диагностирования тормозных систем автотранспортных средств 24

1.4.1 Недостатки стендовых методов контроля тормозных систем на роликовых стендах 28

1.5 Взаимодействие эластичной шины автомобильного колеса с опорными роликами диагностического стенда 37

1.6. Обзор математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с цилиндрическими опорными поверхностями роликов диагностического стенда 39

1.7 Выводы по первой главе 44

1.8 Задачи исследования 46

2 Теоретические предпосылки повышения качества контроля тормозных систем АТС на стендах с кинематически связанными опорными роликами 48

2.1 Структурная схема системы «Эластичная шина – Пятна контакта – Опорные ролики – Стенд» 48

2.1.1 Подробная структурная схема системы «Эластичная шина – Пятна контакта – Опорные ролики – Стенд» 50

2.1.2 Анализ математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины с опорной поверхностью 53

2.1.3 Взаимодействие эластичной шины с двумя кинематически жестко связанными между собой цилиндрическими роликами стенда 55

2.2 Математическая модель процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с двумя цилиндрическими опорными поверхностямироликов диагностического стенда 60

2.2.1 Расчёт начального прогиба беговой дорожки шины под воздействием нормальной нагрузки в процессе торможения на двух кинематически связанных опорных роликах 60

2.2.2 Построение эпюр распределения нормальных и касательных реакций, действующих в пятнах контакта шины тормозящего колеса с поверхностями кинематически связанных опорных роликов 69

2.2.3 Расчёт мощности, циркулирующей в замкнутом контуре «Шина –

Задний ролик – Цепная передача – Передний опорный ролик – Шина» 76

2.3 Алгоритм расчёта параметров системы «Эластичная шина – Пятно контакта – Опорные ролики – Стенд» 79

2.4 Выводы по второй главе 82

3 Методики экспериментальных исследований процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с двумя опорными роликами стенда 84

3.1 Методика экспериментальных исследований характеристик сцепления эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с цилиндрическими поверхностями двух кинематически связанных опорных роликов стенда 84

3.1.1 Обоснование требований к оборудованию и системе измерения параметров исследуемых процессов 90

3.1.2 Оборудование для задания тестовых режимов 91

3.1.3 Методика планирования экспериментов 119

3.1.4 Методика тарировки систем измерения силовых параметров

3.1.4.1 Методика тарирования системы измерения элементарных касательных реакций 124

3.1.4.2 Методика тарирования системы измерения элементарных нормальных реакций 127

3.1.4.3 Методика тарирования системы измерения суммарной тормозной силы 130

3.2 Методика исследования силового радиуса колеса с эластичной шиной в ведомом режиме на двух опорных роликах 133

3.3 Методика аппроксимации результатов аналитических и экспериментальных исследований 137

3.4 Методика оценки адекватности математической модели исследуемого процесса 140

3.5 Выводы по третьей главе 142

4 Основные результаты и выводы 144

4.1 Результаты экспериментального исследования процесса взаимодействия эластичной шины с двумя кинематически связанными опорными роликами диагностического стенда в тормозном режиме 144

4.1.1 Результаты экспериментального исследования силовых радиусов при изменении нормальной нагрузки, приходящейся на испытуемое колесо 145

4.1.2 Результаты экспериментальных исследований эпюр элементарных нормальных и продольных касательных реакций, распределённых по длинам пятен контактов эластичной шины с кинематически связанными опорными роликами стенда 153

4.1.3 Результаты экспериментальных исследований стационарных характеристик сцепления эластичной шины автомобильного колеса с двумя кинематически связанными опорными роликами диагностического стенда 165

4.1.4 Исследование величины циркулирующей мощности в замкнутом контуре «шина – задний ролик – цепная передача – передний опорный ролик – шина» 170

4.2 Результаты аналитического исследования процесса взаимодействия эластичной шины с двумя кинематически связанными опорными роликамидиагностического стенда в тормозном режиме 173

4.3 Оценка адекватности математической модели процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с двумя опорными кинематически связанными опорными роликами диагностического стенда 179

4.4 Выявление зависимости проскальзывания от влияния смещения колеса и нормальной нагрузки 182

4.5 Определение зависимостей основных параметров процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса на двух кинематически связанных опорных роликах 188

4.5.1 Выявление зависимости изменения разности проскальзываний от смещения колеса и нормальной нагрузки 188

4.5.2 Выявление зависимостей изменения циркулирующей мощности от смещения колеса и нормальной нагрузки

4.5.3 Выявление зависимости критического проскальзывания от смещения колеса и нормальной нагрузки 193

4.5.4 Выявление зависимости коэффициента сцепления в заблокированном состоянии колеса от смещения колеса и нормальной нагрузки 196

4.5.5 Выявление зависимости максимального коэффициента сцепления от смещения колеса и нормальной нагрузки 199

4.5.6 Выявление зависимости коэффициента жёсткости проскальзывания от смещения колеса и нормальной нагрузки 202

4.6 Анализ силовых и кинематических параметров процесса торможения колеса с эластичной шиной на двух кинематически связанных опорных роликах стенда 205

4.7 Методика определения показателей тормозной эффективности и устойчивости АТС при торможении с использованием эпюр распределения нормальной и реализованной касательной реакций по длинам пятен контакта 208

4.7.1. Оборудование для реализации разработанного метода и методики контроля тормозных систем АТС на силовом стенде 213

4.8 Выводы по четвёртой главе 217

5 Экономическая эффективность результатов исследования 221

5.1 Расчёт экономической эффективности усовершенствованной конструкции стенда, реализующего разработанную методику 221

5.2 Расчёт экономической эффективности методики измерения силовых параметров с использованием эпюр распределения элементарных нормальной и касательной реакций по длинам пятен контакта 223

5.3 Внедрение результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс 231

5.4 Выводы по пятой главе 231

Заключение 233

Библиографический список

• Показатели эффективности функционирования тормозных систем АТС в условиях эксплуатации
• Подробная структурная схема системы «Эластичная шина – Пятна контакта – Опорные ролики – Стенд»
• Обоснование требований к оборудованию и системе измерения параметров исследуемых процессов
• Оценка адекватности математической модели процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с двумя опорными кинематически связанными опорными роликами диагностического стенда

Введение к работе

Актуальность научного исследования. Автомобильный транспорт является наиболее распространённым и в тоже время самым опасным видом транспорта современности. Ежегодно на автомобильных дорогах гибнет людей больше, чем на всех остальных видах транспорта вместе взятых. В Российской Федерации в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) ежегодно гибнет около 19 человек на 100 тыс. населения, а общее число пострадавших превышает 250 тыс. При этом каждое ДТП происходит либо при торможении, либо сопровождается торможением АТС.

Одним из методов обеспечения безопасности современных автотранспортных средств (АТС) в условиях эксплуатации является контроль технического состояния их тормозной системы, который выполняют как дорожными, так и стендовыми методами. Учитывая значительное влияние на результаты дорожного контроля тормозных систем климатических и погодных воздействий, стендовые испытания получили наибольшее распространение. Роликовые стенды для контроля тормозных систем реализуют принцип обратимости движения, когда автомобиль неподвижен, а его системы функционируют так же как в дорожных условиях.

Однако очень часто даже при положительном заключении технического состояния тормозной системы автомобиля на роликовых стендах, АТС не всегда обеспечивают требуемую тормозную эффективность в дорожных условиях. Согласно данным Волжского политехнического института, при положительных результатах испытаний автобусов «Волжанин» на силовых роликовых стендах, 50% из них при повторном контроле в дорожных условиях превысили линейное отклонение в процессе торможения и не обеспечили нормативного значения установившегося замедления.

Одним из значимых факторов, снижающих эффективность стендового контроля тормозных систем АТС, является существенное различие в механике взаимодействия шины автомобильного колеса с плоской опорной поверхностью дороги и с цилиндрическими поверхностями роликов диагностического стенда.

Попытки повышения эффективности стендового контроля тормозных систем АТС на роликовых стендах сдерживаются недостатком знаний о закономерностях изменения силовых и кинематических параметров, характеризующих потенциальные способности эластичной шины тормозящего колеса создавать реакции на цилиндрических поверхностях двух кинематически связанных между собой опорных роликах диагностического стенда. Поэтому научное исследование, направленное на выявление этих закономерностей и позволяющее значительно повысить качество контроля технического состояния тормозных систем АТС на роликовых стендах, является актуальным и направлено на повышение безопасности АТС в условиях эксплуатации.

Рабочая гипотеза построена на предположении о том, что качество контроля тормозных систем АТС на стендах, имеющих кинематически связанные пары цилиндрических опорных роликов, можно значительно повысить, если учитывать закономерности процесса силового и кинематического взаимодействия шин тормозящих колёс в пятнах их контакта с поверхностями роликов стенда.

Цель работы – повышение качества контроля технического состояния тормозных систем АТС на диагностических стендах, имеющих кинематически связанные цилиндрические опорные ролики, на основе выявления и учёта закономерностей процессов, происходящих в пятнах контакта шин тормозящих колёс при их взаимодействии с опорными роликами стенда.

Объект исследования – процесс силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных между собой опорных роликов диагностического стенда.

Предметом исследования являются закономерности, характеризующие процесс силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных между собой опорных роликов диагностического стенда.

Задачи исследования:

1) Разработать математическую модель процесса силового и кинематического

взаимодействия шины тормозящего колеса АТС в пятне контакта с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных опорных роликов диагностического стенда, позволяющую рассчитывать стационарные характеристики сцепления шин, а также коэффициенты математической модели шины Pacejka H.B. – Дика А.Б.;

1. Экспериментально подтвердить возможность получения стационарных характеристик сцепления шин с опорными роликами стенда и определения коэффициентов математической модели шины Pacejka H.B. - Дика А.Б. на основе эпюр распределения нормальных и реализованных касательных реакций по длине пятен контактов эластичной шины с двумя цилиндрическими поверхностями кинематически связанных опорных роликов;

2. Выявить функциональные зависимости силовых и кинематических параметров, характеризующих процесс взаимодействия эластичной шины с кинематически связанными опорными роликами стенда, от продольного смещения тормозящего колеса и приложенной к нему нормальной нагрузки;

3. Научно обосновать и апробировать методику определения параметров, позволяющих выполнять контроль тормозной эффективности и устойчивости при торможении АТС на роликовых стендах и реализующее её оборудование;

4. Выполнить производственную проверку результатов научного исследования и дать им технико-экономическую оценку.

Научной новизной обладают:

1. Математическое описание процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса в пятнах её контакта с двумя кинематически связанными между собой цилиндрическими опорными роликами диагностического стенда;

2. Выявленные функциональные зависимости кинематических и силовых параметров, характеризующих процесс силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с цилиндрическими поверхностями двух кинематически связанных между собой опорных роликов стенда при смещении колеса относительно оси роликов;

3. Методика стендового контроля тормозных систем АТС, основанная на выявленных функциональных зависимостях процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса в пятнах её контакта с двумя кинематически связанными между собой цилиндрическими опорными роликами диагностического стенда.

Теоретическая значимость исследования:

4. Разработанная автором математическая модель впервые позволяет выполнять аналитические исследования процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса в пятнах её контакта с кинематически связанными между собой опорными роликами диагностического стенда;

5. Выявлены закономерности процесса силового и кинематического взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса в пятнах её контакта с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных между собой опорных роликов диагностического стенда, дающие возможность анализировать и значительно снижать погрешности измерения параметров, характеризующих процесс торможения АТС;

6. Впервые теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность получения стационарных характеристик сцепления шин на основе эпюр распределения нормальных и реализованных касательных реакций по длине пятен контактов эластичной шины с цилиндрическими поверхностями двух кинематически связанных опорных роликов стенда.

Практическая значимость исследования заключается в том, что результаты выполненного исследования позволяют: фирмам и учреждениям, занимающимся разработкой тормозных роликовых стендов, значительно снижать металлоёмкость и конструктивную сложность разрабатываемых и выпускаемых ими тормозных стендов при одновременном повышении их метрологических характеристик; центрам инструментального контроля значительно повышать информативность диагностирования тормозных систем за счёт повышения повторяемости выполняемых измерений

удельной тормозной силы, а также относительной разности тормозных сил; образовательным учреждениям, ВУЗам и ССУЗам использовать их в учебном процессе подготовки специалистов для сферы эксплуатации автомобильного транспорта и безопасности дорожного движения.

Предполагаемые формы внедрения и ожидаемые результаты. Методика и реализующее её оборудование могут быть внедрены на фирмах, выпускающих оборудование для диагностики тормозных систем АТС. Их применение позволяет повысить информативность, снизить металлоёмкость и конструктивную сложность диагностических стендов. Внедрение в центрах инструментального контроля и станциях диагностики позволит значительно повысить информативность и качество контроля тормозных систем АТС в процессе технического осмотра.

Методы исследований, использованные при выполнении данной работы:

7. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса в пятнах её контакта с двумя цилиндрическими поверхностями опорных роликов диагностического стенда выполнены стендовым методом;

8. Аналитическое исследование проводили с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, методов математического анализа и математического моделирования;

9. Планирование экспериментального исследования, обработка полученных результатов и оценка адекватности математической модели исследуемого процесса осуществлялись методами математической статистики и теории вероятности.

Реализация результатов работы.

Результаты научно-исследовательской работы внедрены в ЗАО «Промышленная группа «ГАРО» г. Великий Новгород, в ООО «Фритрейн» г. Екатеринбург, в ОАО "ГАТП №3" г. Улан-Удэ, а также в учебный процесс кафедры «Автомобильный транспорт» института Авиамашиностроения и транспорта ФГБОУ ВО ИРНИТУ.

Научные положения, выносимые на защиту:

10. Значительное повышение качества контроля тормозных систем АТС возможно на основе определения нагрузки и реализованных касательных реакций на тормозящих колёсах посредством одновременного измерения эпюр нормальных и касательных реакций, распределённых по длине пятен контакта эластичных шин с цилиндрическими поверхностями опорных роликов диагностического стенда, а также за счёт устранения паразитной мощности, циркулирующей в замкнутом контуре «шина -передний опорный ролик - цепная передача - задний опорный ролик - шина»;

11. Коэффициенты математической модели шины Pacejka H.B. – Дика А.Б. и стационарные характеристики сцепления шин с кинематически связанными роликами диагностических стендов могут быть определены на основе эпюр распределения нормальных и продольных касательных реакций по длине пятен контакта эластичной шины тормозящего колеса с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных опорных роликов диагностического стенда;

12. Разработанная методика, основанная на измерении нормальных и продольных касательных реакций, распределённых по длине пятен контакта эластичных шин с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных опорных роликов, позволяет значительно снижать погрешности определения показателей тормозной эффективности и устойчивости АТС при контроле тормозных систем на стендах.

Апробация работы. Материалы и результаты проведённого научного исследования доложены и одобрены: на конкурсе научно-инновационных проектов «Изобретатель XXI века» в рамках Всероссийского фестиваля науки в г. Иркутске (октябрь 2014 г.); на 90-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров в г. Иркутске (апрель 2015 г.); на IV Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» в Иркутске (апрель 2016 г.); на Международной научно-практической конференции «Транспортные системы Сибири: развитие транспортной системы как катализатор роста экономики государства» в г. Красноярске (апрель 2016 г.); на I Всероссийской заочной научно-практической конференции «Наземные транспортно-технологические средства: проектирование, производство, эксплуатация» в г. Чите (октябрь 2016 г.); на 12-ом «Международном автомобильном научном форуме» в г. Москва (октябрь 2016 г.);

на 99-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров в г. Иркутске (апрель 2017 г).

Личный вклад автора.

Разработана математическая модель процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего колеса АТС в пятнах её контакта с цилиндрическими поверхностями кинематически связанных опорных роликов диагностического стенда. С помощью данной модели выполнены расчёты исследуемых процессов и выявлены основные зависимости;

Разработана методика исследования проектирования и изготовления научно-исследовательского оборудования с цифровыми измерительными системами. Проведены экспериментальные исследования;

Разработана и апробирована принципиально новая эффективная методика контроля технического состояния тормозных систем АТС на силовом стенде с двумя кинематически связанными опорными роликами, от разработки идеи до производственной проверки.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ общим объёмом 7,81 усл. п. л., (автору принадлежит 5,46 усл. п.л.), из них 6 статей в изданиях из Перечня ВАК РФ, 1 патент на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержащего основные результаты и выводы, списка использованных источников, включающего 257 наименований, в том числе 20 на иностранном языке, и 6 приложений с материалами результатов исследований, изложена на 283 страницах машинописного текста, включает 29 таблиц и 116 рисунков.

Показатели эффективности функционирования тормозных систем АТС в условиях эксплуатации

Для выявления закономерностей, по которым происходит изменение параметров, влияющих на процесс взаимодействия эластичной шины с цилиндрическими поверхностями опорных роликов необходимо создание математического описания этого процесса.

Ввиду эластичности шины автомобильного колеса, математическое моделирование процесса взаимодействия шины с двумя цилиндрическими поверхностями опорных роликов стенда неразрывно связанно с математическим описанием деформации шины. Для создания математического описания можно воспользоваться известной схемой шины, которая состоит из обода (нерастяжимая лента), диска, упругих и демпфирующих элементов [230, 235].

Суть схемы заключается в том, что к диску колеса крепится при помощи упругих и демпфирующих элементов нерастяжимая по своему периметру лента. Но эта лента деформируется в радиальном направлении при воздействии на неё со стороны опорных роликов нормальных реакций RZ1 и RZ2, возникших в результате приложенной к колесу нормальной нагрузки GK (рис. 1.13). Структура протектора шины будет представлять собой беговую дорожку шины, которая крепится к нерастяжимой ленте также при помощи упругих пружин и демпфирующих элементов.

Схема шины в виде ленты, деформируемой в радиальном направлении и нерастяжимой по своему периметру, прикреплённой к диску колеса упругими и демпфирующими элементами и установленной на два кинематически связанных опорных ролика: GK - нормальная нагрузка, приложенная к колесу; г0 - свободный радиус колеса; гко1 - силовой радиус колеса на переднем ролике; гко2 - силовой радиус колеса на заднем ролике; RZi -нормальная реакция, на переднем ролике; RZi - нормальная реакция на заднем ролике; а! - угол между вертикалью и линией соединяющей центр колеса О к с центром О] переднего опорного ролика; а2 - угол между вертикалью и линией соединяющей центр колеса Ок с центром 02 заднего опорного ролика.

Работы, направленные на исследование процессов взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с опорной поверхностью, проводились такими учёными, как: Балабин И.В [8], Балакин В.Д. [9], Балакина Е.В [11-20], Дик А.Б. [72-75], Васильев В.И. [226], Вирабов Р.В. [48, 116], Гредескул А.Б. [57], Ечеистов Ю.А. [83-86], Зарщиков А.М. [89], Кнороз В.И. [99, 148], Малю 39 гин П.Н. [76, 112, 113], Мамаев А.Н [116], Морозов Б.И. [129], Петров М.А. [137, 138], Ракляр А.М. [149], Рыков С.П. [151, 152], Степанов А.Н. [210], Федотов А.И [199, 205, 206], Чудаков Е.А. [229], Pacejka H.B. [248, 249] и многие другие.

Обзор математических моделей, описывающих процесс взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с цилиндрическими опорными поверхностями роликов диагностического стенда

Для полноценного исследования процесса торможения шины автомобильного колеса необходимо создание математического аппарата, который позволил бы с достаточной точностью производить вычисление коэффициента сцепления . Коэффициент сцепления, реализованный в пятне контакта шины с опорной поверхностью, определяет значение тормозной силы, характеризующей способность АТС к устойчивости и управляемости. В силу того, что на тормозящее автомобильное колесо оказывается влияние множество случайных процессов и переменных факторов, аналитическое определение коэффициента сцепления представляет собой одну из наиболее сложных задач.

Аналитическим исследованиям процессов взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с опорной поверхностью дороги посвящены работы таких учёных, как: Балакина Е.В. [11-15, 17, 18, 20], Вирабов Р.В. [48, 116], Гусев А.Г. [64], Дик А.Б. [72, 74], Ечеистов Ю.А. [86], Зотов В.М. [90, 91], Кнороз В.И. [148], Малюгин П.Н. [112], Морозов Б.И. [129], Петров М.А. [137, 138], Ракляр А.М [149], Рыков С.П. [151, 152], Смирнов И А [160], Туренко А.Н. [181], Федотов А.И [188, 200], Чудаков Е.А. [229, 230], Pacejka H.B [235, 236, 247-252], E. Bakker [235-237], Burckhardt M. [239], Denny M. [181], Kiencke U. [244], Daiss A. [244] и многие другие.

Среди множества математических моделей, использующихся для расчёта реализованного коэффициента сцепления можно выделить модели, выполненные на основе описания стационарных (экспериментально полученных) характеристик сцепления шин с опорной поверхностью, или эмпирические модели.

Математическую модель, выполненную в виде экспоненциальной зависимости, для вычисления коэффициента сцепления предложил Burckhardt M. [181, 239]. = (Q.(l- )-Q-5). ; (1.12) где С; - коэффициент, равный максимуму коэффициента сцепления; С1= тах; (1.13) С2 - коэффициент, определяющий форму кривой от функции проскальзывания S; cs С,-100 Сз - коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента сцепления от максимального значения, до коэффициента сцепления при полностью заблокированном колесе; Съ=(р ш-(рБ\ (1.15) С4 - коэффициент, характеризующий влажность окружающей среды. Значение коэффициента С4 лежит в пределах от 0,02 до 0,04.

Данная модель позволяет производить вычисления коэффициента сцепления с учётом изменения линейной скорости движения транспортного средства.

Немецкий исследователь M. Denny для расчёта зависимости коэффициента сцепления от проскальзывания использовал усовершенствованную математическую модель авторов U. Kiencke и A. Daiss В. Предложенная модель не учитывает линейную скорость, и математическое описание приняло вид [181, 244]:

Подробная структурная схема системы «Эластичная шина – Пятна контакта – Опорные ролики – Стенд»

Схема процесса торможения колеса на двух кинематически связанных опорных роликах диагностического стенда: сок - угловая частота вращения колеса; соР - угловая частота вращения опорных роликов; GK -нормальная нагрузка, приложенная к колесу; FT - суммарная тормозная сила; Го - свободный радиус колеса; rKoi - силовой радиус колеса на переднем ролике; гК02 - силовой радиус колеса на заднем ролике; RZi и RZ2 -соответственно нормальные реакции, на переднем и заднем роликах; М -момент сцепления шины в пятне контакта с передним опорным роликом; М - момент сцепления шины в пятне контакта с задним опорным роликом; Мт - тормозной момент; МКР - момент, приводящий во вращение опорные ролики стенда; а; - угол между осью симметрии опорных роликов и линией, соединяющей центр колеса с центром переднего опорного ролика; а2 - угол между осью симметрии опорных роликов и линией, соединяющей центр колеса с центром заднего опорного ролика; а - величина смещения колеса, относительно оси симметрии стенда; aw - расстояние между центрами опорных роликов.

Нормальные реакции, действующие со стороны опорных роликов на беговую дорожку шины, можно определить по следующим формулам: Rzl=GK-cosa{, (2.9) RZ2=GK-cosa2. (2.10) Углы а, и а2 вычисляются по формулам: c arcsin 0,5 ; (2.11) а2 = arcsin 0,5 . (2.12) Действующий со стороны тормозных механизмов тормозной момент Мт оказывает на тормозящее колесо двойное действие. Во-первых, стремится остановить вращение колеса. Во вторых, создаёт тормозные силы.

Возникающие под действием тормозных сил продольные реакции RX1 и RX2 также оказывают двойное действие. Во-первых, они стремятся остановить АТС. Во-вторых, стремятся увеличить скорость вращения тормозящего колеса, действуя на его шину моментом сцепления М р.

В стендовых условиях, когда каждое колесо АТС тормозит на паре опорных роликов, на тормозящее колесо действуют два таких момента М -момент сцепления шины в пятне контакта с передним опорным роликом и М р2 - момент сцепления шины в пятне контакта с задним опорным роликом. Моменты сцепления шины в пятнах её контакта с опорными роликами можно определить по следующим формулам: M p1=Rx1-rKo1; (2.13) M p2=RX2-rK02; (2.14) где RXi и RX2 - соответственно, касательные реакции на переднем и заднем роликах, [Н]. Процесс торможения колеса сопровождается уменьшением линейной скорости колеса VK, и увеличением проскальзывания шины S относительно цилиндрических поверхностей опорных роликов [206]: rR - радиус опорного ролика, [м].

Главным измерителем, характеризующим качество процесса торможения колеса с эластичной шиной, является коэффициент сцепления р шины с опорной поверхностью. Когда колесо установлено на два опорных ролика стенда, у него появляются два пятна контакта. При этом реализуются два коэффициента сцепления: (р} - коэффициент сцепления шины с передним опорным роликом и (р2 - коэффициент сцепления шины с задним опорным роликом. Для расчёта коэффициентов сцепления шины с опорными роликами воспользуемся формулой [247]: 1=Я ; (2.17) 0 2= (2.18) Для наглядного представления изменения коэффициента сцепления р строят график зависимости коэффициента сцепления от величины проскальзывания S, которую называют (ср Sj-диаграммой являющейся характеристикой сцепления шины с опорной поверхностью (рис. 2.4).

Анализ графика, (рис. 2.4) показывает, что значение коэффициента сцепления (р в начале координат равно нулю. При увеличении проскальзывания S происходит и увеличение коэффициента сцепления (р, сначала до его максимального значения (рмлх, которое наступает при критическом проскальзывании SKP. При последующем увеличении проскальзывания S, значение коэффициента сцепления (р уменьшается до значения (рБ, при проскальзывании S=l, что соответствует заблокированному состоянию колеса.

Проведённый предварительный анализ показывает, что для выявления характеристики шины автомобильного колеса, работающего в тормозном режиме на роликах диагностического стенда, необходимо знать силы и реакции, действующие в пятнах контакта этой шины с цилиндрическими поверхностями опорных роликов, а также кинематические параметры.

Математическая модель процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с двумя цилиндрическими опорными поверхностями роликов диагностического стенда

Для повышения качества контроля технического состояния тормозных систем АТС стендовым методом необходимо учитывать механику взаимодействия эластичных шин с опорными роликами стенда. С этой целью необходимо проведение аналитических исследований процесса взаимодействия эластичных шин с опорными роликами стенда в пятнах их контакта.

Известны математические модели, рассчитывающие характеристики сцепления эластичных шин автомобильных колёс с опорной поверхностью на основе значений эпюр нормальных и продольных касательных реакций, распределённых по длине пятна контакта шины с опорной поверхностью [28, 101, 216]. Однако в данных моделях производится аналитическое исследование процесса взаимодействия колеса либо с плоской опорной поверхностью, либо с одним опорным роликом. Таким образом, была разработана математическая модель, позволяющая исследовать процесс взаимодействия тормозящего колеса с эластичной шиной на двух кинематически связанных опорных роликах.

Расчёт начального прогиба беговой дорожки шины под воздействием нормальной нагрузки в процессе торможения на двух кинематически связанных опорных роликах Для дальнейшего аналитического исследования, в частности, для расчёта и построения эпюр распределения нормальных и продольных касательных реакций, возникающих в пятнах контакта шины с поверхностями кинематически связанных опорных роликов, необходимо рассчитать начальную деформацию Аш и AR2 шины на поверхностях опорных роликов и её изменение в процессе торможения.

Для начального расчёта величины прогиба шины необходимо рассмотреть способ нагружения колеса нормальной нагрузкой (рис. 2.5), с учётом сил упругости и демпфирующих сил, как самой шины, так и узла нагружения. В этом случае, система «Эластичная шина - Пятна контакта - Опорные ролики - Стенд» будет разбита на две части: подрессоренная масса тп, состоящая из груза, и прикладываемая к колесу нормальную нагрузку GK, и не-подрессоренная масса тн, представляющая собой само колесо с шиной и не-подрессоренные элементы.

Обоснование требований к оборудованию и системе измерения параметров исследуемых процессов

Математический аппарат, позволяющий аналитически исследовать процесс взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса, тормозящего на двух кинематически связанных опорных роликах стенда, разработан на основе алгоритма, представленного на рисунке 2.11.

Представленный алгоритм расчёта параметров исследуемой системы включает в себя четыре блока, осуществляющих отдельные расчёты, но функционирующие одновременно: блок расчёта исходных данных; блок отбора значений проскальзывания; блок расчёта данных для переднего опорного ролика и блок расчёта данных для заднего опорного ролика. Для более подробного описания работы алгоритма рассмотрим каждый блок отдельно. Блок расчёта исходных данных представляет собой «ядро» математической модели. В этот блок в начале расчёта в окне программы заносятся габаритные размеры шины и масса, приходящаяся на колесо. Такие исходные данные как, диаметр опорных роликов и их угловая скорость, коэффициент демпфирования шины, коэффициент, учитывающий конструкционные осо 80

бенности шины содержатся или рассчитываются в «дереве» программы изначально. После введения исходных данных происходит расчёт начальных условий и параметров процесса торможения колеса на двух кинематически связанных опорных роликах - угловой скорости колеса, силовых радиусов колеса относительно опорных роликов, максимальных деформаций шины на поверхностях опорных роликов, величины проскальзывания. После каждого цикла производится проверка величины значения проскальзывания колеса относительно опорных роликов. В случае если S}=1 и S2=l, что соответствует заблокированному состоянию колеса, расчёт программы останавливается.

Блок отбора значений проскальзывания производит выборку данных из расчёта процесса торможения, необходимых для расчёта эпюр нормальных и продольных касательных реакций, как для переднего, так и для заднего опорного ролика. Выборка осуществляется путём отбора данных, соответствующих определённым значениям проскальзывания S шины относительно роликов в процессе расчёта начальных условий. Диапазон отбора данных в зависимости от значения величины проскальзывания лежит в пределах от S=0 до S=l с шагом N=0,05.

Блок расчёта данных для переднего ролика и блок расчёта данных для заднего ролика производят вычисление значений элементарных ARZ нормальных и продольных касательных ARX реакций, значения длин пятен контактов 1д шины с поверхностями опорных роликов, значения коэффициента сцепления шины (р с поверхностями опорных роликов при отобранном значении проскальзывания S. По завершению расчётов эти блоки осуществляют расчёт и построение эпюр нормальных Rz и продольных касательных Rx реакций, распределённых по длинам пятен контакта шины с поверхностями опорных роликов и построение коэффициента сцепления шины (р в зависимости от величины проскальзывания S для обоих опорных роликов. Данные блоки по своей структуре аналогичны, различие их между собой заключается в принадлежности расчётов индивидуально для переднего или заднего опорного ролика. Рис.2.12. Алгоритм расчёта параметров системы «Эластичная шина – Пятно контакта – Опорные ролики – Стенд» Выполнение вычислений в данном алгоритме устроено таким образом, что каждый блок производит расчёты одновременно, но независимо друг от друга.

Разработанный на базе данного алгоритма математический аппарат позволяет осуществлять аналитические исследования процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса, работающего в тормозном режиме на двух кинематически связанных опорных роликах. Кроме того, представленная математическая модель выполняет построение зависимостей ARz=f(ljj), ARx=f(ljj) и q =f(S), а также выявляет характеристики исследуемой системы «Эластичная шина - Пятна контакта - Опорные ролики - Стенд».

Для реализации разработанной математической модели для аналитического исследования системы «Эластичная шина - Пятна контакта - Опорные ролики - Стенд» была написана программа в программной интегрированной среде «Delphi7.0» [188]. Листинг программы представлен в приложении 6 настоящей работы.

Обзор существующих математических моделей, а также результаты работы по созданию математического аппарата для проведения научного исследования, позволяет сделать следующие выводы:

1) Разработаны теоретические предпосылки, которые позволяют повышать качество контроля и информативность процесса торможения автомобильного колеса с эластичной шиной на двух кинематически связанных опорных роликах диагностического стенда;

2) Разработана структурная схема исследуемого процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса в пятнах контакта с цилиндрическими поверхностями двух кинематически связанных опорных роликов. Разработанная схема учитывает внутренние и внешние факторы, а также управляющие параметры, влияющие на выходные параметры исследуемого процесса;

Оценка адекватности математической модели процесса взаимодействия эластичной шины тормозящего автомобильного колеса с двумя опорными кинематически связанными опорными роликами диагностического стенда

Известно, что силовым радиусом автомобильного колеса с эластичной шиной является радиус его качения в ведомом режиме [73, 92, 185, 205, 247]. Представленные во второй главе формулы для расчёта проскальзываний S1 и S2 шины относительно опорных роликов, учитывают изменение силовых радиусов rKO1 и rKO2 - радиусов качения колеса в ведомом режиме. Поскольку проскальзывания S1 и S2, зависят от величины силовых радиусов rKO1 и rKO2 (см. формулы (2.15) и (2.16)).

Величина силовых радиусов rKO1 и rKO2 зависит от действующих со стороны поверхностей опорных роликов нормальных реакций RZ1 и RZ2.

Экспериментальное исследование зависимостей силовых радиусов rKO1 и rKO2 от нормальной нагрузки GK на колесо проводили в соответствии с методикой, представленной в третьей главе (см. формулы (3.13) и (3.14) раздел 3.2).

Для этого использовали шину марки Amtel Planet 175/75 - R13 - 82H, высота протектора шины 8 мм, износ – 10%, свободный радиус – rСВ=0,296 м. Давление воздуха в шине устанавливали на уровне pW=0,21МПа и контролировали на протяжении всего экспериментального исследования.

В процессе исследования шину катили в ведомом режиме по цилиндрическим поверхностям кинематически связанных опорных роликов стенда. При этом дискретно изменяли нормальную нагрузку GK, приложенную к колесу, а также дискретно варьировали смещение a оси колеса относительно оси симметрии опорных роликов (рис. 2.3).

Нормальную нагрузку GK на колесо, задавали дискретно из ряда: 2250 Н; 2750 Н; 3250 Н; 3750 Н; 4250 Н и 4750 Н. Смещение оси вращения колеса относительно оси симметрии опорных роликов a устанавливали дискретно, в сторону заднего опорного ролика, исходя из значений: 0 мм; 5 мм; 10 мм; 15 мм и 20 мм. Значения нормальных реакций RZ1 и RZ2 рассчитывали по формулам (2.9) и

Результаты экспериментального исследования зависимостей силовых радиусов rKO1 и rKO2 от нормальных реакций RZ1 и RZ2 и при варьировании смещения a представлены в таблицах 4.1; 4.2; 4.3; 4.4 и 4.5.

Таблица 4.1 – Изменение силовых радиусов rKO1и rKO2 в зависимости от нормальных реакций RZ1 и RZ2при величине смещения a=0 мм

ЗначениянормальнойнагрузкиGK, Н Значениянормальнойреакции напереднемролике RZ1,Н Значения нормальной реакции на заднем ролике RZ2, Н Значения силового радиуса на переднем ролике rK01, м Значения силового радиуса на заднемролике rK02, м

На рис. 4.1-4.5 показаны экспериментальные графики изменения силовых радиусов rKO1 и rKO2 при качении колёса с шиной Amtel Planet175/75-R13-82H по двум кинематически связанным опорным роликам при варьировании величины смещения a.

Из рисунка 4.1 видно, что графики зависимостей силовых радиусов колеса rKO1 и rKO2 от нормальных реакций RZ1 и RZ2 абсолютно идентичны. Увеличение нормальных реакций RZ1 и RZ2 до значений 2059,7 Н уменьшает силовые радиусы rKO1 и rKO2 испытуемой шины по сравнению с радиусом rСВ свободного колеса примерно на 8,3%.

График изменения силовых радиусов колеса rKO1 и rKO2 от нормальной реакции RZ при установке колеса без смещения a=0 мм: 1 – силовой радиус rKO1 на переднем опорном ролике; 2 – силовой радиус rKO2 колеса на заднем опорном ролике

ЗначениянормальнойнагрузкиGK, Н Значениянормальнойреакции напереднемролике RZ1,Н Значения нормальной реакции на заднем ролике RZ2, Н Значения силового радиуса на переднем ролике rK01, м Значения силового радиуса на заднемролике rK02, м

С увеличением нормальных реакций RZ1 и RZ2 от 0 Н до 2078,4 Н, разность между свободным радиусом rСВ испытуемой шины и силовым радиусом rKO1 на переднем ролике составляет 8,0%. При этом разность между свободным радиу 148 сом Гсв испытуемой шины и силовым радиусом на заднем ролике гК02 составляет 8,7%. Разность между силовыми радиусами при Rz = 990,3 Н составляет Агко=0,0063 м = 6,3 мм.

Изменение силовых радиусов rKO1 и rKO2 в зависимости от нормальных реакций RZ1 и RZ2при величине смещения a=10 мм ЗначениянормальнойнагрузкиGK, Н Значениянормальнойреакции напереднемролике RZ1,Н Значения нормальной реакции на заднем ролике RZ2, Н Значения силового радиуса на переднем ролике rK01, м Значения силового радиуса на заднемролике rK02, м

Из рисунка 4.2 отчётливо видно, что графики зависимостей силовых радиусов гко1 и гК02 от нормальных реакций RZ1 и RZ2 не идентичны. Они количественно изменились, причём в неравной степени. При смещении колеса в сторону заднего опорного ролика на величину а=5 мм, силовой радиус гко1 на переднем ролике стал больше, чем силовой радиус гК02 на заднем ролике.

График изменения силовых радиусов колеса гко1 и гт2 в зависимости от нормальной реакции Rz при смещении а=10 мм: 1 - силовой радиус колеса гко1 на переднем опорном ролике; 2 - силовой радиус колеса гК02 на заднем опорном ролике При смещении а оси колеса увеличивается разность Лгко между силовыми радиусами на роликах стенда, которая при нормальной реакции Rz = 2096,8 Н составляетАгко=0,0107 м или 10,7 мм (рис. 4.3). При нормальной реакции Rz = 999,1 Я разность между свободным радиусом г ев испытуемой шины и силовым радиусом гко1 на переднем ролике составляет 7,6%. Разность между свободным радиусом гсв испытуемой шины и силовым радиусом гК02 на заднем ролике составляет 8,9 %.