Проведение экспериментальных работ по замеру динамического радиуса колеса при различных режимах вращения стенда
Бесплатно
Основная коллекция
Тематика:
Автомобилестроение и авторемонт
Издательство:
Науковедение
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 14
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 1 http://naukovedenie.ru 53TVN114 УДК 625.7/.8 Васильев Юрий Эммануилович ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет» Россия, Москва1 Профессор, доктор технических наук E-Mail: vashome@yandex.ru Братищев Илья Станиславович ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет» Россия, Москва Аспирант E-Mail: Ilya_bratishev@mail.ru Столетов Илья Олегович ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет» Россия, Москва Студент E-Mail: ilyastoletov@bk.ru Проведение экспериментальных работ по замеру динамического радиуса колеса при различных режимах вращения стенда Аннотация: В условиях постоянно растущих скоростей и интенсивности движения актуальной задачей является обеспечение экономичности, управляемости и проходимости транспортных средств. Одним из наиболее сложных элементов обеспечивающих данные показатели является автомобильное колесо. Физические основы движения автомобильного колеса представляют значительный интерес для научных исследований, в частности одной их важнейших характеристик является динамический радиус колеса. В статье описаны экспериментальные исследования по определению зависимости динамического радиуса колеса от скоростных режимов вращения стенда, а также при изменении температуры и давления в автомобильной шине. Исследовательские работы по определению динамического радиуса колеса проводились на круговом универсальном испытательном стенде дорожных материалов, путем измерения расстояния от поверхности дорожного покрытия до оси вращения колеса с использованием лазерного дальномера и универсальной рамы для измерительного оборудования. Данный комплекс оборудования позволяет проводить испытания в условиях, максимально приближенных к дорожным, а также при минимальных затратах. Применяемый комплекс измерительных устройств позволяет в 1 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 2 http://naukovedenie.ru 53TVN114 режиме реального времени измерять расстояние между центром движущегося колеса и дорожным покрытием, что позволяет оценивать динамический радиус в процессе движения с установленной скоростью. Данный метод обладает преимуществами по сравнению с лабораторными стендовыми системами, т.к. на комплексе КУИДМ-2 реализуются условия, максимально приближенные к реально имеющимся на автомобильной дороге – условия нагружения автомобильного колеса, сопоставимы с реальными транспортными средствами, движение колеса происходит по участкам асфальтобетонного покрытия с обеспечением строго одинаковой траектории движения при каждом проходе колеса по кругу. Выполнялись эксперименты по измерению динамического радиуса колеса при различных скоростях движения, а также при различных температуре и давлении в шине. Проведенные работы и полученные результаты показывают, что измерение динамического радиуса колеса может быть выполнено в условиях движения, что обеспечивает оценку динамики изменения рассматриваемого показателя под воздействием различных факторов. Установлено, что на величину динамического радиуса оказывает наибольшее воздействие уменьшение давления в шине, что наиболее заметно при высоких скоростях движения. Выполненные эксперименты показывают, что возможность измерения динамического радиуса колеса в процессе движения может быть использована при сравнительных испытаниях образцов автомобильной резины в сочетании с другими эксплуатационными показателями, такими как проскальзывание, производимый шум, оценка пятна контакта. Результаты экспериментов показывают, что измерение динамического радиуса колеса может эффективно применяться при сравнительных испытаниях автомобильных шин на круговом универсальном испытательном стенде дорожных материалов. Ключевые слова: Динамический радиус; шина; ведомое колесо; дальномер; скорость; давление; температура; измерения; ровность; пятно контакта. Идентификационный номер статьи в журнале 53TVN114
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 3 http://naukovedenie.ru 53TVN114 Yuri Vasiliev Moscow Automobile And Road Construction State Technical University Russia, Moscow E-Mail: vashome@yandex.ru Ilya Bratishchev Moscow Automobile And Road Construction State Technical University Russia, Moscow E-Mail: Ilya_bratishev@mail.ru Ilya Stoletov Moscow Automobile And Road Construction State Technical University Russia, Moscow E-Mail: ilyastoletov@bk.ru Carrying out experimental works on measurement of dynamic radius of a wheel at various modes of rotation of the stand Abstract: In the conditions of constantly growing speeds and intensity of movement an actual task is ensuring profitability, controllability and passability of vehicles. One of the most difficult elements providing these indicators is the automobile wheel. Physical bases of movement of an automobile wheel represent considerable interest for the scientific researches, in particular one their major characteristics the dynamic radius of a wheel is. In article pilot studies by determination of dependence of dynamic radius of a wheel from high-speed modes of rotation of the stand are described, and also at change of temperature and pressure in a car tire. Research works on determination of dynamic radius of a wheel were carried out at the circular universal test bench of road materials, by distance measurement from a paving surface to an axis of rotation of a wheel with use of a laser range finder and a universal frame for the measuring equipment. This complex of the equipment allows to carry out tests in the conditions which are most approached to road, and also at the minimum expenses. The applied complex of measuring devices allows to measure in real time distance between the center of a moving wheel and a paving that allows to estimate dynamic radius in the course of movement with an established speed. This method has advantages in comparison with laboratory bench systems since on the KUIDM-2 complex the conditions which are most approached to really available on highway – conditions of loading of an automobile wheel are realized, are comparable to real vehicles, movement of a wheel happens on sites of an asphalt concrete covering to providing strictly identical trajectory of movement at each pass of a wheel around. Experiments on measurement of dynamic radius of a wheel were carried out at various speeds of movement, and also at various temperature and pressure in the tire. The carried-out works and the received results show that measurement of dynamic radius of a wheel can be executed in traffic conditions that provides an assessment of dynamics of change of a considered indicator under the influence of various factors. It is established that pressure reduction makes the greatest influence on the size of dynamic radius in the tire that is the most noticeable at high speeds of movement. The executed experiments show that possibility of measurement of dynamic radius of a wheel in the course of movement can be used at comparative tests of samples of automobile rubber in combination with other operational indicators, such as the slipping, made noise, an assessment of a spot of contact. Results of experiments show that measurement of dynamic radius of a wheel can effectively be applied at comparative tests of car tires at the circular universal test bench of road materials. Keywords: Dynamic radius; tire; conducted wheel; range finder; speed; pressure; temperature; measurements; flatness; contact spot. Identification number of article 53TVN114
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 4 http://naukovedenie.ru 53TVN114 Автомобильное колесо представляет собой шину, установленную на металлический (или иной, равноценный по прочности) обод, при этом внутреннее герметизированное пространство шины заполнено воздухом под определенным давлением. От физикомеханических свойств шины зависят такие эксплуатационные показатели автомобиля, как грузоподъемность, экономичность, управляемость, проходимость и т.д [1]. Так как автомобильное колесо не является абсолютно жестким объектом, то при его качении по дорожному покрытию под действием силовых факторов происходит тангенциальная деформация шины, при которой действительное расстояние от оси вращения колеса до опорной поверхности уменьшается. Это расстояние называют динамическим радиусом колеса, который является плечом приложения толкающей силы [2]. Его величина зависит от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов, таких, например, как жесткость шины, внутреннее давление и температура в ней, вес автомобиля, приходящейся на колесо, скорость движения, ускорение, сопротивление качению и др. Динамический радиус уменьшается с увеличением крутящего момента и с уменьшением давления воздуха в шине. Величина динамического радиуса несколько увеличивается с увеличением скорости движения автомобиля вследствие роста центробежных сил. Для учета явления упругого проскальзывания шины [3] используют понятие кинематического радиуса колеса (радиуса качения). Радиус качения колеса представляет собой радиус условного недеформируемого кольца, которое, при движении без скольжения, совершит число оборотов и пройдет путь, одинаковый с реальным колесом. Радиус качения колеса является условной величиной и непосредственно не связан с его размерами. В практических расчетах радиус качения колеса оценивается по приближенной формуле: rк = (0,85…0,9) r0 (где r0- свободный радиус колеса). Для дорог с твердым покрытием (движение колеса с минимальным проскальзыванием) принимают: rк = rd. Таким образом, характеристики и физика процесса движения шины представляют значительный интерес, так как оказывают значительное влияние и вносят значительный вклад в формирование технических характеристик транспортного средства, на котором они установлены. Величина динамического радиуса может быть определена либо прямым измерением расстояния от оси движущегося колеса до поверхности дорожного покрытия, либо расчетным способом, т. е. отношением разности крутящего момента и момента, полученного путём произведения равнодействующей нормальных сил на плечо сноса, к толкающей силе. Динамический радиус шины определяется как расстояние от оси движущегося колеса до опорной поверхности. Величина динамического радиуса оказывает значительное влияние на срок службы шины, поскольку его уменьшение вследствие увеличения нагрузки или снижения давления воздуха в шине приводит к увеличению площади контакта шины с опорной поверхностью, интенсивному трению в материалах шины и в месте её контакта с поверхностью и, как следствие, к увеличению теплообразования и снижению срока службы шины. Большое внимание, уделяемое повышению надёжности и качества пневматических шин, продиктовано постоянно возрастающими требованиями к безопасности движения транспортных средств, важным элементом ходовой части которых они являются [4]. Актуальная задача обеспечения требуемой надёжности пневматических шин может быть решена при использовании эффективных средств для проведения стендовых натурных испытаний шин, в том числе статических и динамических испытаний [5], обеспечивающих определение таких характеристик шины, как динамический радиус, срок службы при работе в
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 5 http://naukovedenie.ru 53TVN114 различных скоростных режимах с максимально допустимой нагрузкой на шину, сопротивление шины качению, влияние нагрева на эксплуатационные характеристики шины и др. Динамические испытания шин в режиме ведомого колеса проводятся на специальных обкаточных стендах [6], основной составной частью которых является беговой барабан, приводимый в движение электроприводом [7]. В стендах устаревшей конструкции, которые, однако, эксплуатируются и сегодня на предприятиях шинной промышленности, вращение бегового барабана осуществляется электроприводом постоянного тока. Дня передачи крутящего момента от двигателя на ось бегового барабана в таких стендах используются ремённая или зубчатая (редуктор) передача, а нагружение шины осуществляется с помощью механических грузов, подвешенных на тросе через рычаг и воздействующих на ось обода, на котором установлена испытываемая шина. Реализованный на таких стендах способ нагружения шины не позволяет изменять величину воздействующей на шину нагрузки в процессе испытания и выполнять отвод обода, на котором смонтирована шина, от поверхности барабана после её разрушения, так как доступ к стенду во время испытаний запрещён из условий обеспечения техники безопасности. Измерение динамического радиуса колеса в процессе движения транспортного средства [8] является достаточно трудноосуществимой задачей, в частности при высоких скоростях движения. Кроме того, представляет сложность одновременное обеспечение прочих факторов, влияющих на величину измеряемого показателя – температура окружающей среды, температура и давление в шине. Также общим недостатком всех лабораторных стендов для изучения динамического радиуса колеса, является то, что испытания проводятся в условиях, не соответствующим встречающимся на автомобильных дорогах. Для решения данной комплексной задачи рационально проводить исследования на специальном комплексе оборудования. В частности, в исследовании может быть эффективно применен универсальный комплекс для испытаний дорожных покрытий и автомобильных шин КУИДМ-2 «Карусель» (рисунок 1) сконструированный в МАДИ [9, 10].
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 6 http://naukovedenie.ru 53TVN114 1, 2, 3 – участки асфальтобетонного покрытия Рис. 1. Схема комплекса КУИДМ-2 Измерение динамического радиуса колеса в процессе движения в заданном режиме может осуществлено с помощью комплекса оборудования, монтируемого на специальную раму, расположенную на движущемся колесе [11] (рисунок 2). Рис. 2. Оборудование для измерения динамического радиуса Расположенный на раме лазерный дальномер в режиме реального времени передаёт данные о расстоянии между центром колеса и дорожным покрытием, что позволяет оценивать динамический радиус в процессе движения с установленной скоростью. Грузовой стенд Легковой стенд Ворота Будка оператора 1 2 3
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 7 http://naukovedenie.ru 53TVN114 Преимущество данного метода по сравнению с системами, в которых опорной поверхностью для движения колеса является барабан, заключается в том, что в условиях комплекса КУИДМ-2 реализуются условия, максимально приближенные к реально имеющимся на автомобильной дороге – автомобильное колесо нагружено массой, сопоставимой с реальным транспортным средством, перемещение происходит по асфальтобетонному покрытию с обеспечением строго одинаковой траектории движения при каждом проходе колеса по кругу. Для проведения экспериментальных работ был составлен перечень факторов, влияющих на радиус колеса в процессе движения (таблица 1). Таблица 1 Факторы, влияющие на величину динамического радиуса Показатель Легковой стенд Скорость движения, км/ч 40,60,80,100 Температура воздуха, t°C 20-30 Давление в шине (стандартное, повышенное, пониженное) Стд, выс, низ Температура в шине, t°C 20, 25, 30 Известно, что динамический радиус уменьшается при снижении давления воздуха в шине, т.к. при пониженном внутреннем давлении шины имеют повышенные деформации во всех направлениях. Поэтому кроме величины давления, рассмотрены факторы, влияющие на эластичность резины, в частности температура в шине и температура окружающей среды. Величина динамического радиуса увеличивается при росте скорости движения, поэтому рассмотрен наиболее характерный для легковых автомобилей режим движения. Испытания выполнялись на легковом стенде комплекса КУИДМ-2 в диапазоне скоростей от 40 до 100 км/ч. Сначала проводились эксперименты при температуре 20°С и стандартном давлении в шине. Производился запуск стенда, затем, при достижении требуемой скорости, выполнялось измерение динамического радиуса колеса. Выполнение измерений на различных скоростях движения осуществлялось последовательно, без остановки стенда. Также при температуре 20°С выполнялись измерения при пониженном и повышенном давлении в шине. После этого выполнялись эксперименты при постоянном давлении и температурах 25°С и 30°С.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 8 http://naukovedenie.ru 53TVN114 Рис. 3. Зависимость динамического радиуса от скорости движения при различных значениях температуры и давления в шине Из результатов (рисунок 3) видно, что снижения давления в шине оказывает схожий эффект с увеличением температуры. При этом необходимо отметить, что при стандартных условиях наблюдается рост величины динамического радиуса колеса при увеличении скорости движения до уровня 80 км/ч, после чего радиус меняется незначительно. В случае с повышенной температурой и пониженным давлением, изменения радиуса наблюдается на всем диапазоне рассматриваемых скоростей. Динамический радиус колеса также может быть использован при определении параметров эксплуатационных свойств автотранспортного средства при движении по неровной поверхности [12]. В области оценки влияния коэффициента ровности на коэффициент динамичности известны работы научной школы профессора А.В.Кочеткова. Часть из них указана в библиографическом описании к статье [13-17]. В этих работах были учтены ровности и макрошероховатость дорожного покрытия с учетом динамического изменения радиуса колеса и вероятностно-статистического подхода. Известно, что при движении транспортного средства по дороге с неровным микропрофилем, возникают колебания масс автотранспортного средства, которые могут оказывать существенное влияние на эксплуатационные свойства и их параметры. Таким образом, отслеживая изменение динамического радиуса колеса в процессе движения, можно сделать вывод о ровности покрытия. Известно также, что динамические радиусы колёс, изменяющиеся при движении по неровной поверхности дороги рассчитываются как разность величин свободных радиусов автомобильных шин и их вертикальных деформаций при условии точечного контакта с дорожной поверхностью. Также, динамические радиусы, изменяющиеся в процессе колебаний, определяются с учётом продольной деформации автомобильных шин и смещения вертикальных реакций в их контакте с поверхностью дороги как расстояние от смещённой оси вращения колеса до касательной реакции. Основываясь на изученных материалах, были выполнены измерения зависимости изменения величины динамического радиуса от величины ровности покрытия по IRI при 38 39 40 41 42 43 44 45 40 60 80 100 Скорость, км/ч Rд, см t=20, P=стд t=25, P=стд t=30, P=стд t=20, P=низ t=20, P=выс
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 9 http://naukovedenie.ru 53TVN114 скоростях движения легкового стенда 60, 80, 100 км/ч. Перед началом движения выполнялось измерение статического радиуса колеса. Таблица 2 Результаты измерений ∆Rд при различной ровности Значение ровности по IRI, м/км 1,72 1,83 1,87 1,95 2 2,3 2,6 2,65 ∆Rд, см, при скорости: 60 км/ч 0,20 0,25 0,27 0,31 0,35 0,70 0,89 0,91 80 км/ч 0,30 0,37 0,39 0,43 0,49 0,77 0,82 0,83 100 км/ч 0,32 0,37 0,40 0,45 0,53 0,83 0,80 0,82 Полученные результаты (таблица 2, рисунок 4) показывают взаимосвязь между рассматриваемыми показателями. При скорости движения 60 км/ч и значениях IRI до 2,00, что соответствует критерию «отлично», наблюдается небольшое значение величины ∆Rд, при этом, после перехода на участок с величиной IRI выше 2,00 наблюдается пропорциональный рост величины изменения динамического радиуса колеса. При скоростях движении 80 и 100 км/ч наблюдается схожая зависимость ровности ∆Rд на участке с величиной IRI до 2,00, однако при росте величины наблюдается значительное увеличение ∆Rд. Такие зависимости вызваны тем, что на участке с ровностью до 2,00 при увеличении скорости происходит некоторое увеличение динамического радиуса, однако на отрезках с ровностью свыше 2,00 за счет наличия отдельных пиков на профиле происходит периодический отрыв колеса от поверхности, что вызывает значительное изменении радиуса. Рис. 4. Зависимость между изменением динамического радиуса колеса и ровностью по IRI при скоростях движения 60, 80, 100 км/ч Выполненные эксперименты показывают, что возможность измерения динамического радиуса колеса в процессе движения может быть использована при сравнительных испытаниях 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Значение ровности по IRI, м/км ∆Rд, см 60 км/ч 80 км/ч 100 км/ч
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 10 http://naukovedenie.ru 53TVN114 образцов автомобильной резины в сочетании с другими эксплуатационными показателями, такими как проскальзывание, производимый шум, оценка пятна контакта. На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы: ● динамический радиус колеса может быть измерен в процессе движения в условиях комплекса КУИДМ-2 «Карусель»; ● разработана методика измерения динамического радиуса колеса при переменных температуре и давлении в шине на стенде КУИДМ-2; ● выполнена оценка возможности применения динамического радиуса колеса как косвенной характеристики ровности дорожного покрытия.