Дослідження впливу силової неоднорідності пневматичних шин на стійкість автомобіля. Аналіз показників оптимального значення крутильної жорсткості керованого колісного модуля. Оцінка безпечності руху легкового автомобіля, з урахуванням площі дороги.
Аннотация к работе
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наукЗазначені обставини спричиняють необхідність пошуку методів оцінки ступеня впливу сил і неоднорідності силових характеристик пневматичних шин, зокрема, на параметри курсової стійкості руху автомобіля. Оскільки одним з основних шляхів попередження ДТП є забезпечення заданого рівня керованості автомобіля, в тому числі, за рахунок підвищення його курсової стійкості, то покращення показників курсової стійкості автомобіля можна вважати одним із перспективних й ефективних напрямків боротьби за зниження аварійності на дорогах. Особисто автором у цих роботах уточнена математична модель руху одиночного автомобіля, шини якого мають жорсткість і силову неоднорідність, а також проведені дослідження цієї математичній моделі. Метою роботи є підвищення безпеки експлуатації легкових автомобілів із шинами, що мають силову неоднорідність, за рахунок поліпшення показників курсової стійкості. Методи дослідження передбачали математичне моделювання стаціонарних і нестаціонарних режимів руху легкових автомобілів з колесами, шини яких мають силову неоднорідність, різноманітні розрахунки показників курсової стійкості автомобілів із зазначеними колесами, а також експериментальне визначення показників силової неоднорідності шин залежно від зносу їхнього рисунку протектора й механічних ушкоджень каркаса шини.
Список литературы
Основні результати досліджень опубліковані в 11 статтях у наукових виданнях ВАК України за спеціальністю.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 138 сторінок, з них 122 сторінки основного тексту, 56 ілюстрацій та 4 таблиці за текстом, 120 найменувань використаних джерел на 10 сторінках, 2 додатка на 6 сторінках.
2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність теми, представлена загальна характеристика роботи, перераховане коло завдань, які вирішуються, сформульовані мета й завдання дослідження, показані наукова новизна й практична значимість отриманих результатів дослідження.
У першому розділі на основі аналізу літературних джерел встановлено, що розгляд динаміки руху автомобіля неможливий без моделювання властивостей шини, тому що порушення курсової стійкості автомобіля повязане з бічним проковзуванням колеса або ж його відведенням під дією бічної сили. Сама ж бічна сила, урахування якої необхідне для керування автомобілем і стабілізації його руху, залежить від перерозподілу навантаження, зміни кутів розвалу коліс, тиску повітря в шині, величини тягової сили тощо. Ще більше ускладнюється процес визначення бічної сили, якщо врахувати те, що взаємодія з опорною поверхнею відбувається через колеса, шини яких мають силову неоднорідність.
Динаміка кочення еластичного пневматичного колеса визначається як кінематичними характеристиками - боковим зміщенням колеса відносно його центральної площини симетрії, кутом скручування плями контакту і кутами встановлення, так і особливостями дороги, технічним станом шини тощо. Ці характеристики впливають на величину стабілізуючих сил і моментів між опорною поверхнею і колесом, які намагаються повернути колесо у вихідне положення. При цьому бічна складова сили визначається як кутом розвалу, так і бічним зміщенням, яке пропорційне куту відведення, а стабілізуючий момент - визначеним вище кутом скручування плями контакту, який може бути звязаний з кутом відведення.
У другому розділі показано, що одним із найбільш актуальних напрямків розвитку динаміки взаємодії колеса з опорною поверхнею є врахування у математичних моделях силових характеристик автомобільних шин. Так, наприклад, у роботах М.А. Левіна і Н.А. Фуфаева коефіцієнти бічного відведення звязані певною функціональною залежністю з коефіцієнтами бічної жорсткості шини. Разом з тим, для еластичних пневматичних шин, параметри яких відрізняються від значень, установлених технічною документацією або від обраних за нормативами (однобічне зношування, неоднорідності й ін.), бічну силу необхідно розглядати як функцію, що залежить і від силової неоднорідності еластичної пневматичної шини. Введення у функцію додаткових коригувальних параметрів дозволяє з більшою вірогідністю визначити характер розподілу сил у плямі контакту. Тому силову неоднорідність, що у значній мірі визначає технічний стан шини, потрібно розглядати і як характеристику, що істотно впливає на характер кочення еластичного колеса. З одного боку, це прямо повязано з безпекою руху, з іншого боку - представляє самостійний теоретичний інтерес для дослідження: силова неоднорідність шини може бути спеціально передбачена самою конструкцією, а може бути обумовленою недосконалостями, отриманими при виробництві й експлуатації шин (конусність, нерівномірне зношування й ін.). Тобто, її вплив на стійкість автомобіля може розглядатися як у позитивному, так і негативному аспектах. За наявності силової неоднорідності шини по її профілю, бічна сила в контакті колеса з опорною поверхнею виникає навіть при відсутності кута відведення.
У роботі пропонується враховувати силову неоднорідність шини як деякий узагальнений параметр, що відповідає даному відхиленню від норми, обумовленому дією різних видів недосконалостей. З урахуванням даного визначення силової неоднорідності шини залежності бічних реакцій від кутів відведення записані у вигляді: (1)
Де якщо: кі - коефіцієнт опору відведення для і - ої шини, обумовлений тангенсом кута нахилу лінійної частини кривої;
k0 - коефіцієнт, що задає максимальне значення реакції відведення (визначає горизонтальну асимптоту) і знаходиться із співвідношення: (2)
Де: с - коефіцієнт, значення якого залежить від кута нахилу лінійної частини кривої і визначається співвідношенням: (3)
Значення максимальної сили зчеплення колеса в бічному напрямку позначене величиною Y*.
Крім цього, сумарний вплив кутового й конічного ефектів істотно міняється по довжині окружності шини.
У цьому випадку найпростішою математичною моделлю, що описує зміну силової неоднорідності пневматичної шини в бічному напрямку, може служити гармонійна апроксимація: (4)
Де: Уі(d) - середнє значення бічної сили для і-го колеса, що відповідає певному куту відведення, Н;
DYI - амплітуда коливання бічної сили за один оберт і-го колеса, Н;
w - кутова швидкість обертання колеса, рад/с;
t - поточний час, с.
Запропонований підхід дозволяє найбільше повно врахувати силову неоднорідність пневматичної шини по довжині її окружності, яка обумовлена наявністю кутового й конічного ефектів. Це, у свою чергу, дає можливість передбачати характер динамічного поводження автомобіля й прогнозувати ступінь безпеки його експлуатації.
Після визначення бічної сили в залежності від кута відведення і силової неоднорідності шини були проаналізовані математичні моделі, що описують динаміку одиночного автомобіля, з метою їх використання при розробці математичної моделі руху легкового автомобіля. При цьому було встановлено: 1. При складанні рівнянь руху для визначення показників стійкості автомобіля в більшості досліджень залежність між кутами відведення й бічних сил приймається лінійною, що справедливо для кочення колеса у веденому режимі й для малих кутів відведення, незважаючи на те, що математичні моделі автомобіля містять велику кількість нелінійних елементів, вплив яких на стійкість руху вивчено недостатньо. Відомо, що врахування різного роду не лінійний динамічній системі дозволяє не тільки встановити межі застосовності результатів лінійного наближення, але й виявити ефекти, принципово неможливі в лінійній моделі і якими так багата експлуатаційна практика. Характерним прикладом є стрибкоподібна зміна стаціонарних станів автомобіля при плавній зміні керуючих параметрів - катастрофи стаціонарних станів.
2. Із-за пружності деталей рульового керування, а також зазорів у його шарнірах і рульовому механізмі при незмінному положенні рульового колеса, положення якого задається водієм, керовані колеса можуть повертатися під дією прикладених до них зовнішніх моментів. Оскільки керовані колеса мають певну масу, звязки якої з кузовом автомобіля є пружними, а моменти, які прагнуть змінити положення коліс, змінними, то можливе виникнення динамічних процесів, що вплинуть на характер руху всього автомобіля.
3. Незважаючи на те, що дослідження в напрямку вивчення впливу силових характеристик шин на керованість і стійкість автомобіля продовжуються і зараз, проте поки що не існує досить ефективної математичної моделі, яка описувала б динаміку руху автомобіля з урахуванням індивідуальних особливостей автомобільної шини.
На основі аналізу виконаних робіт було запропоновано розглядати динаміку руху легкового автомобіля на основі двох масової плоскої розрахункової моделі з усуненням зазначених недоліків. Зокрема, в дисертаційній роботі при визначенні параметрів курсової стійкості автомобіля з еластичними шинами, що мають силову неоднорідність, була використана модель автомобіля із керованим колісним модулем. Динаміка руху автомобіля для такої моделі описується рівняннями: (5)
(6)
(7)
Де: m - маса кузова автомобіля, кг;
m1 - маса керованого колісного модуля, кг;
J - момент інерції кузова щодо центральної вертикальної осі, кг/м2;
J1 - момент інерції керованого колісного модуля щодо центральної вертикальної осі, кг?м2;
a - відстань від центра мас до передньої осі, м;
b - відстань від центра мас до задньої осі, м;
l - винос колеса, м;
Y1 - сумарна бічна сила на передній осі, Н;
Y2 - сумарна бічна сила на задній осі, Н;
X1 - поздовжня сила на передній осі, Н;
v, u - поздовжня й поперечна проекції вектора швидкості центра мас автомобіля, м/с;
q - поточне значення кута повороту керованого колісного модуля, рад.
Урахування сил, що діють на керований колісний модуль, у розрахунковій двох масовій моделі автомобіля дозволяє простежити динаміку переміщення колісного модуля щодо кузова автомобіля. При цьому створюються умови для урахування приведеного коефіцієнта жорсткості керованого колісного модуля, а також індивідуальних пружних властивостей пневматичних шин.
У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень по визначенню характеру взаємозвязку між технічним станом шини й зміною величини бічної сили при динамічній взаємодії пневматичного колеса з поверхнею кочення.
Аналізуючи результати експериментальних досліджень можна однозначно відмітити, що бічна сила, яка діє на пневматичне колесо й викликана зміною його структурних параметрів, може істотно міняти свою величину по окружності бігової доріжки.
Крім цього необхідно відзначити ряд характерних випадків якісних і кількісних змін величини бічної сили Y в залежності від кута повороту колеса ЦК відносно осі обертання.
1. При кочуванні колеса, що має яскраво виражене однобічне зношування, у встановленому й зворотному напрямках, характери зміни бічної сили практично не змінюються, що свідчить про наявність конічного ефекту.
2. За відсутності будь-яких візуальних ознак зміни структурних параметрів шини, при кочуванні колеса у встановленому й зворотному напрямках величини бічних сил мають дзеркальне відображення. Такий характер зміни бічних сил свідчить про наявність у шині кутового ефекту, тобто центральна площина обертання колеса з шиною повернена щодо центральної площини обертання диска колеса.
3. Наявність пошкоджень шини однозначно призводить до зміни характеру й величини бічної сили. Так, помітні зміни бічної сили за рахунок розриву шини.
Наявність асиметрії бічної сили й нерівномірність її розподілу по окружності пояснюється наявністю силової неоднорідності шини. Для нечисленної вибірки шин з різним ступенем зношеності величина бічної сили коливається в широких межах, залежно від висоти профілю шини, й має індивідуальний характер.
У результаті експериментальних досліджень було встановлено: - нерівномірна зміна висоти рисунка протектора пневматичної шини в межах його експлуатаційних значень призводить до виникнення бічної сили та коливання її величини по окружності колеса;
- рівні середніх значень величини бічної сили для пневматичних шин одного типорозміру, але з різною висотою профілю незначно відрізняються між собою (менше 5%);
- наявність ушкоджень шини призводить до виникнення стрибкоподібних змін розподілу сил, діючих у плямі контакту шини з опорною поверхнею;
- для окремої пневматичної шини з різним ступенем зношеності величина коливань бічної сили має індивідуальний характер.
У четвертому розділі виконаний аналіз динамічних якостей легкового автомобіля в рамках плоскої велосипедної моделі без урахування силової неоднорідності шин його коліс, з урахуванням силової неоднорідності пневматичних шин і з урахуванням параметрів керуючого колісного модуля. У першому випадку для автомобіля з надлишковою повороткістю прямолінійний рух.
(8)
Урахування нелінійного відведення було проаналізовано для апроксимацій виду: (9)
Де: - коефіцієнти зчеплення коліс передньої й задньої осі.
(10)
Що визначають умови безпечної втрати стійкості прямолінійного руху ідеальної моделі автомобіля (визначальними параметрами в цьому випадку є коефіцієнти зчеплення ji на передній і задній осях автомобіля).
При урахуванні силової неоднорідності коліс лівого й правого ряду (параметр d01?0), що еквівалентно наявності кута сходження, вираз критичної швидкості має вигляд: (11)
Де: qi - безрозмірний коефіцієнт відведення, що обумовлює нелінійний характер сил відведення.
У випадку ж урахування параметрів керуючого колісного модуля, значення критичної швидкості визначається співвідношенням: (12)
За обраних постійних значеннях параметрів типового легкового автомобіля малого класу критична швидкість руху склала: - при визначенні за виразом (8) - vkp=54,435 м/с;
- при визначенні за виразом (11) - vkp=56,765 м/с;
- при визначенні за виразом (12) - vkp=58,123 м/с.
Таким чином, уточнення виразу критичної швидкості руху шляхом урахування параметрів керуючого колісного модуля й силової неоднорідності шин коліс передньої осі автомобіля призвело до збільшення критичної швидкості руху відповідно на 4,1% й 6,35%, тобто до поліпшення курсової стійкості автомобіля. Крім того, було встановлено, що до характерних параметрів, які впливають на умови безпечної втрати стійкості моделі автомобіля із жорстким рульовим керуванням, додається параметр крутильної жорсткості. Варіація цього параметра може істотно впливати на характер динамічного поводження автомобіля при досягненні ним критичної швидкості руху. При цьому необхідно звернути увагу на те, що параметри системи визначають стійкість руху автомобіля. Так, при перевищенні критичної швидкості руху vkp відбувається дивергентна втрата стійкості (при цьому тільки одне із власних значень матриці лінійного наближення системи перетинає уявну вісь, інші мають негативні дійсні частини).
При чисельному інтегруванні вихідної системи диференціальних рівнянь було встановлено, що реальна границя припустимих значень крутильної жорсткості керуючого колісного модуля лежить між значеннями 4200 Н•м й 4500 Н•м. Критична швидкість прямолінійного руху, що відповідає такому інтервалу зміни крутильної жорсткості, лежить у межах 38,5м/с<vkp<39 м/с.
Крім того, при безпечній втраті стійкості прямолінійного руху автомобіль переходить на стійкий круговий стаціонарний режим досить великого радіуса (реалізація лівого-правого поворотів залежить від початкових збурень); порушення умов безпечної втрати стійкості (kk ? 4500 Нм) приводить до необмеженого зростання бічної складової швидкості центра мас і руху автомобіля в площині дороги.
У додатках представлена програма інтегрування рівнянь руху легкового автомобіля й довідки про впровадження результатів досліджень
ВИСНОВКИ Й РЕКОМЕНДАЦІЇ
1. Курсова стійкість є одним з найбільш важливих експлуатаційних властивостей сучасного автомобіля. Постійне зростання швидкостей руху транспортних засобів викликає необхідність проведення оцінки показників курсової стійкості, пошуку шляхів оптимізації параметрів, що впливають на зазначені показники, тому що найчастіше втрата курсової стійкості транспортного засобу супроводжується виникненням дорожньо-транспортних пригод (ДТП). Конструктивно параметри курсової стійкості автомобіля тісно повязані з пружними властивостями пневматичних шин, які в процесі експлуатації автомобіля не залишаються постійними, що приводить до зміни параметрів курсової стійкості, а отже й безпеки експлуатації автомобіля.
2. Установлено вплив нелінійного характеру сил відведення й силової неоднорідності пневматичної шини по її окружності, обумовленої наявністю кутового й конусного ефектів, на величину сумарних поперечних сил, що діють у плямі контакту шини з опорною поверхнею, що дозволяє прогнозувати стійкість і керованість автомобіля у всьому діапазоні керуючих параметрів: поздовжньої швидкості руху й кута повороту керованих коліс.
3. Розроблено математичну модель автомобіля, що враховує силову неоднорідність шини по її окружності при визначенні бічних реакцій, що дозволяє визначати параметри траєкторії руху центра мас автомобіля як на сталих, так і несталих режимах руху й установити момент втрати курсової стійкості.
4. Спроектований, виготовлений і налагоджений спеціальний стенд для випробування шин автомобіля, у якому враховані вимоги ГОСТ 4754-97 щодо випробування шин легкових автомобілів на силову неоднорідність. Випробування широко розповсюджених шин легкових автомобілів типу 175/70 R13 дозволили встановити: - фактичну величину коливання бічної сили в плямі контакту шини з дорогою, що викликане силовою неоднорідністю шин;
- вплив зміни силових характеристик автомобільної шини на характер взаємодії шини з опорною поверхнею;
- вплив зміни структурних параметрів автомобільної шини, зокрема, нерівномірного зношування рисунка протектора, ушкодження шини на її силові характеристики й експлуатаційні властивості.
5. Визначено критичну швидкість руху автомобіля з урахуванням нелінійної характеристики залежності бічної сили від кута відведення, силової неоднорідності шини по її окружності для велосипедної моделі й моделі, що враховує колію автомобіля. Показано, що при силовій неоднорідності коліс передньої осі, що виражається у вигляді кутового ефекту і відповідає куту відведення ±0,1 рад, область стійкості розширюється - збільшується на 4,1-6,35% критична швидкість прямолінійного руху й на 6,7-7,9% - критична швидкість кругових стаціонарних режимів.
6. Визначено умови небезпечно-безпечної втрати стійкості прямолінійного руху моделі автомобіля з керуючим колісним модулем, для якого взаємодія коліс з опорною поверхнею в бічному напрямку описана нелінійною гіпотезою відведення. Установлено оптимальні значення крутильної жорсткості керуючого колісного модуля для легкових автомобілів. Показано, що при безпечній втраті стійкості прямолінійного руху автомобіль із надлишковою повороткістю переходить на стійкий круговий режим досить великого радіуса, порушення умови безпечної втрати стійкості (коли коефіцієнт крутильної жорсткості керуючого колісного модуля виходить за межі оптимальних значень) призводить до необмеженого росту бічної складової швидкості центра мас і руху автомобіля в площині дороги.
7. Результати дослідження прийняті до впровадження СТО “Opel” ТОВ “Gratium Ltd” офіційного дилера “Adam Opel AG”, а також відділенням автотехнічних експертиз і товарознавчої діяльності науково-дослідного експертно-криміналістичного центру при УМВС України в Донецькій області.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Макаров В.А., Дугельный В.Н. Исследование причин преждевременного выхода из эксплуатации автомобильных шин // Автошляховик України. - 1999. №1. - С. 21-22.
2. Макаров В.А., Дугельный В.Н. Анализ методов контроля эксплуатационного состояния эластичных пневматических шин // Автошляховик України. - 1999. - №3. - С. 12-14.
3. Гарачук О.В., Дугельный В.Н. Изменение жесткостных характеристик эксплуатируемых шин // Автомобильный транспорт. - Харьков: РИО ХГАДТУ. - 2000. - Вып. 4. - С. 40-42. шина автомобіль колісний
4. Макаров В.А., Дугельный В.Н. Повышение работоспособности автомобиля путем управления жесткостными характеристиками шины // Автомобильный транспорт. - Харьков: РИО ХГАДТУ. - 2000. - Вып. 4. - С. 43-45.
5. Макаров В.А., Сирота В.М., Дугельный В.Н. Исследование ситуаций, вызывающих нарушение курсовой устойчивости движения автомобилей, и подготовка водителей к этим ситуациям на автотренажере // Автомобильный транспорт. - Харьков: РИО ХГАДТУ. - 2001. - Вып. 7-8. - С. 28-32.
6. Макаров В.А., Хребет В.Г., Дугельний В.М. Про один підхід до оцінки впливу жорсткі та неоднорідності еластичної пневматичної шини на стійкість руху дорожнього транспортного засобу // Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник центрального наукового центру транспортної академії України. - 2000. №3. - С. 95-96.
7. Юрченко А.Н., Дугельный В.Н., Савенок Д.В. Определение параметров курсовой устойчивости автомобиля на основе графоаналитического метода построения множества // Автомобильный транспорт. - Харьков: РИО ХГАДТУ. - 2002. - Вып. 9. - С. 55-58.
8. Юрченко А.Н., Дугельный В.Н., Савенок Д.В. Исследование режимов движения АТС методом построения фазовых диаграмм // Автомобильный транспорт. - Харьков: РИО ХГАДТУ. - 2003 - Вып. 13. - С. 176-177.
9. Юрченко А.Н., Дугельный В.Н., Савенок Д.В. Математическое моделирование упругих свойств пневматического колеса // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2004. №7 Ч.1. - С. 156-161.
10. Юрченко А.Н., Макаров В.А, Дугельный В.Н. Лаборатория для исследования характеристик шин легковых автомобилей // Механіка та машинобудування. - 2001. - №1,2. - С. 168-175.
11. Сахно В.П., Матейчик В.П., Вербицький В.Г., Макаров В.А., Дугельний В.М. Нелінійна стійкість і біфуркації в динаміці автомобіля // Автошляховик України. Окремий випуск. Проблеми автомобільного транспорту. Збірник наукових праць міжнародної науково-практичної конференції. - Київ. - 2005. - С. 82-87.