Россия
Военно-учебного научного центра Военно-воздушных сил Военно-воздушной академии имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина
Россия
УДК 621.43 Двигатели внутреннего сгорания
В статье проанализированы способы и методы испытаний пневматических шин на стендах различной конструкции, рассмотрены их достоинства и недостатки. Приведены ограничения, влияющие на качество проведения испытаний шин и на их результаты. Рассмотрены характерные особенности проведения стендовых испытаний пневматических шин, а также возможность прогнозирования их надежности и предполагаемой нормы наработки в реальных условиях эксплуатации автомобилей. Проанализирован выбор режимов проведения испытаний, оказывающий существенное влияние на полученные результаты при оценке их надежности, возможной степени влияния на безопасность дорожного движения и норму наработки пневматических шин.
ПНЕВМАТИЧЕКСКАЯ ШИНА, ИСПЫТАНИЯ, БАРАБАН, СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЧЕНИЮ, НАГРУЗКИ, СТЕНДОВЫЕ, НАТУРНЫЕ, ИМИТАЦИОНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
1 Актуальность, постановка вопроса, план исследования (обзора)
Качение пневматических шин по различным опорным поверхностям (ОП) сопровождается их деформацией в тангенциальном, радиальном и боковом направлении, величина которой зависит от их жесткостных и упругих характеристик, определяющих их технические и экономические показатели, и, соответственно, эксплуатационные показатели автомобилей. При этом, особенности конструкции пневматических шин фактически определяют управляемость и устойчивость автомобиля, его топливную экономичность, динамические, тормозные и сцепные показатели, проходимость, шумность и плавность хода.
Преобразование крутящего момента, подводимого к колесному движителю через узлы и агрегаты трансмиссии от силового двигателя в силу тяги происходит за счет действия внешних сил трения, возникающих в области их контакта с ОП (при сдвиге грунта) элементами протектора пневматических шин. Тяговые показатели колесного движителя оцениваются по максимальной величине тягового КПД, тяговой мощности, силы тяги, удельному расходу топлива, а также от изменения перечисленных параметров от типа и состояния ОП, внутреннего давления воздуха в шине и т.д. При этом, колесный движитель оказывается конечным элементом в линейке "двигатель – трансмиссия – движитель – опорная поверхность", а его характеристики будут определять показатель эффективности применения автомобилей в целом. Перспективное улучшение их технических и экономических характеристик неразрывно связано с усовершенствованием конструкции пневматических шин и повышением тяговых показателей колесного движителя, на которые влияют многообразие и сложность физических процессов, протекающих в области контакта пневматических шин с ОП при качении колеса в ведомом, свободном, нейтральном, тормозном и ведущем режимах.
Кроме того, из-за геометрических размеров области контакта пневматических шин с ОП, особенно автомобилей повышенной и высокой проходимости, необходимо корректно анализировать физические процессы в ней происходящие ввиду нелинейного изменения физических свойств пневматических шин, т. к. будет невозможно применять методы теории подобия для использования результатов, полученных при испытаниях шин меньшего диаметра.
Исходя из вышеизложенного, создание имитационных стендов для натурных испытаний пневматических шин, представляет собой сложную научно-практическую задачу, расширяющую область знаний и способствующую дальнейшему развитию и уточнению существующих теорий взаимодействия колесного движителя с ОП.
Одним из наиболее важных этапов в жизненном цикле пневматических шин, определяющих их долговечность, износостойкость и усталостную прочность, являются их натурные испытания как при создании новых моделей, так и в процессе их производства и совершенствования конструкций, что требует развития технических средств и методов испытаний [1]. Комплекс испытаний внедорожных шин включает в себя: монтажные, статические, динамические стендовые, гидростатические, трековые, лабораторно-дорожные и эксплуатационные испытания. Объем, режимы, а также методика анализа и оценки полученных результатов будут зависеть от цели и вида испытаний, которые определяются программой испытаний и реальными возможностями технических средств испытаний [2-4]. К преимуществам стендовых испытаний относятся оперативность, кратковременность проведения, а также обеспечение постоянства условий и хорошей воспроизводимости результатов. Однако, стендовые испытания не могут дать исчерпывающей информации об эксплуатационных показателях шин, поэтому их в дальнейшем подвергают трековым, дорожным и эксплуатационным испытаниям.
Существовавшие и ныне существующие стенды, предназначенные для испытаний пневматических шин, находящиеся на территории Российской Федерации, используются для испытаний разрабатываемых отечественных и закупаемых пневматических шин иностранных производителей для автомобилей различного назначения. Также, испытательные стенды находятся на шинных заводах и используются для определения относительной долговечности выпускаемых шин. По своей конструкции такие стенды делятся на два типа: барабанные и имитационные, причем, в некоторых случаях, требуется примерное равенство диаметров шины и бегового барабана. При этом, существуют стенды двухбарабанного типа для работы с пневматическими шинами диаметром до 2 м. На некоторых шинных заводах для оценочных испытаний применяются стенды для шин диаметром до 3 м с нагрузкой на них более 20 т.
Специализированной имитационной базой для проведения испытаний шоссейных и внедорожных шин, по нашим данным, располагали:
1. Стенд для испытаний шин при прямолинейном движении, находящийся в Воронежском инженерно-строительном институте (ВИСИ), ныне - ВГТУ, в настоящее время не существует.
2. Стационарный стенд для испытаний строительных и дорожных машин (автогрейдеров) и исследования распределения сил и реакций ОП по колесам движителя при движении по горизонтальным и наклонным ОП, был создан в ВИСИ, в настоящее время не существует.
3. Круговой стенд для испытаний крупногабаритных шин диаметром до 2 м и нагрузкой до 15 т, или, балансира с диаметром колес до 1,5 м и нагрузкой на них до 7 т, с радиусом поворота 1,65…6,15 м и возможностью проведения испытаний на грунтовых, бетонных и песчаных ОП, был создан в ВИСИ. В настоящее время разукомплектован.
4. Круговой стенд для испытания крупногабаритных шин в Днепропетровском институте крупногабаритных шин (ГосНИИКГШ), Украина, разукомплектован.
5.Стенд для испытаний сельскохозяйственных шин (Ростовская обл., г. Зерноград) – сведений нет.
6. ОАО «Днепрошина», г. Днепропетровск, Украина – сведений нет.
7. БШК «Белшина» г. Бобруйск, Республика Беларусь – сведений нет.
В связи с отсутствием методики расчета ходимости пневматических шин в настоящее время не представляется возможным на стадии их проектирования корректно определить срок их службы (наработки) и оценить потери при замене и выбраковке шин, не выходивших установленный руководящими документами ресурс, или при снятии с эксплуатации шин, имеющих износ больше критического. Также, увеличение их стоимости, с одной стороны, и отсутствие методики определения их срока службы, с другой стороны, ведет к избыточным и непредвиденным затратам при эксплуатации автомобилей и не позволяет на стадии проектирования определить долговечность шины. Все это обусловливает актуальность разработки достоверных методик и средств исследований шин с различными размерными, физико-механическими параметрами и эксплуатационными характеристиками.
2 Анализ информационных источников
Одним из первых в нашей стране испытания пневматических шин начал проводить коллектив под руководством академика А. Е. Чудакова. Схемы стендов, на которых они происходили, представлены на рис. 1-5 [5, 6]. Испытания проводились на барабанных стендах простейших конструкций с малыми нагрузками на автомобильные шины.
1, 2 – электродвигатель; 3 – беговой барабан; 4 – колесо
Рисунок 1 – Схема барабанного стенда для испытания автомобильных шин
Недостатком стендов данного типа является отрицательная кривизна контактной области «шина – беговой барабан» и малый радиус испытуемых шин.
1 – механический тормоз; 2 – беговой диск; 3 – ролики; 4 – вал; 5 – ось колеса;
6 – подшипник рамы; 7 – редуктор; 8 – электродвигатель; 9 – гидравлический пресс
Рисунок 2 – Схема карусельного стенда для испытания автомобильных шин
Недостатком карусельного стенда является малый радиус бегового диска, что резко ограничивает радиусы испытуемых шин и создает большие ошибки и погрешности при измерениях.
1, 4 – балка; 2 – передвижной груз; 3,15 – винт;
5 – груз; 6, 10 – кронштейн; 7 – поверхность;
8 – колесо; 9 – рессора; 11 – карданный вал;
12 – храповое колесо; 13 – собачка; 14 – динамометр;
16 – сектор
Рисунок 3 – Схема установки для определения
коэфициента сцепления и тангенциальной
эластичности автомобильных шин
Стенд для определения коэфициента сцепления и тангенциальной эластичности автомобильных шин почти не учитывает деформацию шины при качении, т.к. силовой радиус имеет зависимость и от момента М и от вертикальной нагрузки G.
1, 2 – весы; 3, 4 – нагружающие рычаги; 5, 6 – карданные передачи
Рисунок 4 – Схема установки для определения зависимости радиальных реакций
от момента, подведенного к задней ведущей оси автомобиля
Недостатки стенда для определения зависимости радиальных реакций от момента аналогичны схеме, показанной на рис. 3.
1, 2, 3 – ведущие оси; 4, 5 – карданный вал; 6 – рычаг; 7 – динамометр; 8 – барабан;
R1, R2 – реакции, действующие на шины
Рисунок 5 – Схема установки по определению радиусов качения шин
Недостатком стенда, показанного на рис. 5, является отрицательная кривизна в области контакта, неточная имитация ОП, при этом замер нагрузок по вертикали затруднен, т. к. горизонтальные реакции ОП в области контакта разнонаправлены в соответствии с кривизной барабана. Практически всегда будет наблюдаться перераспределение нагрузок из-за циркуляции мощности, даже в свободном режиме.
Стенд, показанный на рис. 6, предназначен для сравнительных испытаний шин на долговечность в целях определения их ресурса при движении по различным типам ОП. Сравнение результатов происходит по относительному пробегу (больше – мешьше), т.к. имитация нагрузки на шину не соответствует реальным условиям эксплуатации.
1, 4 – электродвигатель; 2 – колесо;
4 – беговой барабан
Рисунок 6 – Стенд для определения
долговечности шин
Шинообкатный станок с механическим догружением, показанный на рис. 7, используется для обкатки шин с целью выявления усталостной долговечности протектора, корда и брекера шины при длительном качении.
Стенд для динамических испытаний пневматических шин с автоматизированной системой управления СО2–100 (рис. 8) представляет собой усовершенствованный вариант стенда, показанного на рис. 7, в котором для поддержания заданной нагрузки на пневматические шины использован электрогидравлический привод вместо механического [7].
1 – груз; 2 –угловой рычаг; 3 – пневматическая шина; 4 – электродвигатель;
5 – беговой барабан; 6 – каретка установочная
Рисунок 7 – Шинообкатный станок
ОП1-ОП3 – первая, вторая и третья опоры; ГЦ1, ГЦ2 – первый и второй гидроцилиндры;
ТР – траверса; ГЗ – гидравлический зажим; Ш – шина; КР – каретка; КЛ1, КЛ2 – первая и вторая
колонны; ОШ1, ОШ2 – первая и вторая шарикоподшипниковые опоры; ББ –беговой барабан;
СГЦ – силовой гидроцилиндр; ДС – датчик силы; ЭД –электродвигатель; УН1, УН2 – первая
и вторая насосные установки; ПУ – пульт управления; ШУ – шкаф управления
Рисунок 8 – Схема стенда СО2–100
|
Основой стенда, общий вид которого приведен на рис. 9, а схема – на рис. 10, служит установленная на фундаменте жесткая рама, на которой смонтированы все элементы стенда с возможностью перемещения испытуемого колеса по высоте и в осевом направлении. Нормальное нагружение колеса задается вертикальным перемещением промежуточной плиты, при этом обеспечивается боковое нагружение шины [8].
Рисунок 9 – Общий вид стенда
1 – несущая стойка; 2 – ползун; 3, 6 – винты, 4, 15, 18 – рычаги; 5 – толстостенная труба–консоль;
7 – вал; 8 – колесо; 9 – ступица; 10 – опорная верхняя площадка; 11 – вертикальное перемещение
промежуточной плиты; 12 – промежуточная опорная плита; 13 – роликовые направляющие;
14 – шатун; 16, 22 – электромеханизмы типа АПС-4МД; 17 – тяга: 19 – ходовой винт; 20 – тележка
Рисунок 10 – Схема универсального стенда для определения жесткостных
характеристик шин
Диагностику и проверку тормозных систем, оценку работоспособности амортизаторов, экспресс-диагностику углов установки колес и сопротивление качению колеса позволяют проводить роликовые стенды, основное преимущество которых – возможность реализации продолжительных по временным параметрам стабильных режимов вращения колес в установившемся режиме. Роликовый стенд Иркутского национального исследовательского технического университета для испытания шин легковых автомобилей представлен на рис. 11.
Рисунок 11 – Стенд для испытаний
пневматических шин
Одним из основных недостатков стендов роликового типа является некорректное нагружение шины, т.к. образуется поверхность отрицательной кривизны на беговой дорожке протектора в области контакта шина – ролик (рис. 12, б). При этом, ошибка в случае определения нормы наработки до списания (ресурса) шины будет достигать 3-5-кратной, из-за чего стенды такого типа применяются только как оценочные. В конструкции барабанных стендов применяются барабаны с различным покрытием (бетон, мелкая абразивная шкурка, стальное рифление). В результате возникновения рассогласования скоростей вращения испытуемого колеса и барабана происходит проскальзывание пневматической шины по поверхности барабана. Также, процессы взаимодействия колеса с ОП при реальной эксплуатации автомобилей значительно отличаются от процесса взаимодействия колеса с роликами барабанного стенда (отсутствуют закономерности изменения тяговых усилий, определяющих характер движения автомобиля).
а) б)
а – на дороге; б – на беговом барабане;
LД – фактическая длина области контакта; L*Д – геометрическая длина области контакта
Рисунок 12 – Схема окружной деформации шины неподвижного колеса
Область контакта пневматической шины на недеформируемой ОП имеет эллипсовидную форму и вытянута в продольном направлении, а на ролике барабанного стенда – в поперечном. При этом, величина расхождения в площадях областей контакта шины с ОП и с беговым роликом будет зависеть от размеров роликов и от их числа: при контакте с двумя роликами погрешность будет значительно уменьшаться, а при контакте с одни роликом – увеличиваться. Однако роликовые стенды нашли широкое применение при исследованиях температурных полей в случае нагрева шин в оценке их долговечности. При пересчете и корректировке результатов испытаний пневматических шин на барабанном стенде необходимо учитывать влияние на нее кривизны барабана, для чего произвести корректировку внутреннего давления воздуха в шине, используя один из приведенных способов [9]:
- при обжатии шины на барабане под нагрузкой подобрать в ней такое внутреннее давление воздуха, которое сможет обеспечить прогиб шины, эквивалентный ее прогибу при нахождении на ровной ОП с установленным заводом изготовителем внутренним давлением воздуха при действии номинальной нагрузки;
- скорректировать внутреннее давление воздуха в шине с помощью коэффициента пересчета (отношение внутреннего давления воздуха в шине при испытании на барабане к внутреннему давлению воздуха при нахождении шины на ровной ОП), определенного графически, равного отношению внутреннего давления при испытании к внутреннему давлению на плоскости.
При аналитическом определении радиуса качения шины в процессе ее испытаний на барабанном стенде используется формула, в которой он представлен в виде расстояния, пройденного шиной по беговой поверхности барабана за определенное число оборотов его обода.
Некоторое снижение погрешности при испытаниях на барабанных стендах может быть достигнуто при значительном увеличении диаметра барабана относительно диаметра испытуемого колеса. Примером такого похода может служить стенд НАМИ–354 (рис. 13), позволяющий испытывать шины легковых автомобилей под различной нагрузкой и при разных скоростях качения.
Условия качения пневматических шин на стендах с беговыми барабанами отличаются от реальных условий их эксплуатации, где изменяется коэффициент сопротивления качению колес, а также условия их качения по ОП, форма деформации шин, процессы распределения удельных напряжений в области их контакта с ОП. При этом достаточно сложно сравнить результаты измерений, полученные на стендах с разным диаметром беговых барабанов.
Рисунок 13 – Шиноиспытательный стенд НАМИ–354
В работе [10] автор предложил принимать в общем случае движения подобие условий качения колес по ОП и на барабанных стендах, принимая за основу принцип подобия упругих систем, т.е. зависимость деформации шин от удельной на них нагрузки. При этом, для оптимального выбора диаметра бегового барабана необходимо знать величину потерь, связанных со сжатием и нагревом воздуха в шине, величину деформации шины и потери на ее проскальзывание по беговой дорожке барабана [11].
При опоре испытуемого колеса на два беговых барабана стенда уменьшится до 30 % площадь их области контакта и на 25…35 % ее сопротивление качению. Пока нет единого мнения, как определять действующие нагрузки на трансмиссию автомобилей, определяемые их конструкцией и конструкцией стенда, а также, как определять характер распределения внешних сил, реакций и моментов, действующих на ведущие мосты, потери полезной мощности при качении колес автомобиля по барабанам стенда.
В процессе испытаний автомобиля на барабанном стенде наблюдается повышенное сопротивление качению колес ввиду больших тепловых потерь в материале шины (из-за ее значительной радиальной деформации), а также повышенное проскальзывание элементов ее протектора по поверхности барабана. А в случае создания дополнительного тормозного момента на барабанах стенда в целях имитации условий, эквивалентных реальному движению автомобиля по дороге, происходит изменение кинематических и силовых характеристик его колес.
Рекомендуемая схема размещения измерительной аппаратуры на беговом барабане приведена на рис. 14 [12].
1 – регистрирующий блок; 2 – коллектор; 3 – датчик температуры окружающего воздуха; 4 – датчик оборотов барабана;
5 – датчик оборотов шины; 6 – электродвигатель; 7 – барабан;
8 – световозвращатель барабана; 9 – шина; 10 – световозвращатель шины; 11 – датчик температуры шины; 12 – компьютер
Рисунок 14 – Рекомендуемая схема размещения
измерительной аппаратуры на беговом барабане
Имитационные стенды для проведения испытаний пневматических шин представляют собой, в основном, круговую площадку с диаметром, большим чем минимальный радиус поворота автомобиля (10 … 20 м) с твердым покрытием [13]. На момент разработки наиболее технически совершенным был стенд, созданный в ВИСИ, который предназначался для проведения испытаний крупногабаритных шин на всех возможных режимах их качения. Его конструкция позволяла изменять радиус и режим качения, конструкцию привода, нагрузку на колесо (рис. 15, 16). Стенд мог работать в ручном или полуавтоматическом режиме, позволяя регулировать тормозную силу, вплоть до полной остановки испытуемого колесного движителя.
|
А |
1. Тютин В.А., Вербас В.В., Смирнов А.Г., Варивода В.И. Внедорожные шины мировых лидеров / В.А. Тютин, В.В. Вербас, А.Г. Смирнов, В.И. Варивода. // УкО ИМА – Пресс, 1999. – 304 с.
2. ГОСТ Р 51893–2024. Шины пневматические. Общие технические требования безопасности. М.: Российский институт стандартизации. – 2024. – 8 с.
3. ГОСТ Р 52900–2007. Шины пневматические для легковых автомобилей и прицепов к ним. Технические условия. М.: Стандартинформ. – 2008. – 23 с.
4. ГОСТ 28169–89. Шины пневматические. Методы определения износостойкости шин при дорожных испытаниях. М.: Государственный стандарт СССР. – 1990 (ограничение по сроку действия снято). – 12 с.
5. Чудаков Е.А. Качение автомобильного колеса. Выпуск 9. Автомобильная лаборатория института машиноведения / Е.А. Чудаков. – М.: Издательство академии наук СССР, 1948. – 51 с.
6. Чудаков Е.А. Теория автомобиля. Избранные труды, том I / Е.А. Чудаков. – М.: Издательство академии наук СССР, 1961. – 104с.
7. Роженцев В. С., Прокопенко Ю. Д., и др. Автоматизированная система управления стен-дом для динамических испытаний пневматических шин // Разработки. Контрольно–измерительные системы. СТА. 2009. – С. 36–43. [Электронный ресурс]– http://www.cta.ru. (дата обращения 19.03.2025.)
8. Балабин И.В., Куров Б.А., Лаптев С.А. Испытание автомобилей / И.В. Балабин, Б.А. Ку-ров. – М.: Машиностроение. – 1988. – 192 с.
9. ГОСТ Р ИСО 28580:2018 Шины легковых и грузовых автомобилей и автобусов. Методы измерения сопротивления качению. Одноточечное испытание и корреляция результатов измерения. М.: Госстандарт России. – 2018. 40 с.
10. Серов, А.В. Современные станции диагностики автомобилей /А.В. Серов. – M.: НИИав-топром, 1971. 40 с.
11. Балабина Т.А., Карелина М.Ю., Мамаев А.Н. Теоретические основы испытаний шин и трехосных полноприводных автомобилей на барабанных стендах / Т.А. Балабина, М.Ю. Карели-на, А.Н. Мамаев. – М.: МАДИ.– 2020. – 76 с.
12. ГОСТ Р 52102 –2003. Шины пневматические. Определение сопротивления качению методом выбега. М.: Госстандарт России. – 2003. – 12 с.
13. Василенко А.В. Методика расчета тяговых качеств колесного движителя с крупногабаритными пневматическими шинами землеройно-транспортных машин. Дисс... канд. техн. наук: 05.05.04 / А.В. Василенко. – Воронеж, 2000. – 227 с.
14. Желтышев, А.В. Определение радиуса качения колеса автомобиля при движении по не-ровной дороге / А.В. Желтышев, А.А. Енаев // Естественные и инженерные науки – развитию регионов: Материалы межрегиональной научно-технической конференции. – Братск: БрГТУ, 2004. – 188 с.
15. Штефан Ю. В., Васильев Ю. Э., Беляков А. Б., Панарин Г. А. Модернизация кольцевого стенда «КУИДМ-2» для расширения спектра измеряемых параметров и ускорения испытаний // Интернет-журнал «Науковедение». – 2013 – №6 (19). С. 1-16 Режим -доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/108TVN613.pdf. (дата обращения 19.03.2025)
16. Гильмутдинов В.И. Математическая модель и методика расчета тяговых качеств ко-лесных движителей землеройно–транспортных машин. Дисс... канд. техн. наук: 05.05.04 / В.И. Гильмутдинов. – Воронеж, 1988. – 210 с.
17. Гудков В.В. Разработка методики расчета ходимости пневматических шин землеройно-транспортных машин: Автореферат дисс... канд. техн. наук: 05.05.04 / В.В. Гудков. – Воронеж, 1997. – 20 с.
18. Васильев Ю.Э., Братищев И.С., Столетов И.О. Проведение экспериментальных работ по замеру динамического радиуса колеса при различных режимах вращения стенда Интернет – журнал «Науковедение» Выпуск 1, январь–февраль 2014 ИГУПИТ [Электронный ресурс], дата обращения 01.03.2025. http:// publ.naukovedenie.ru.
19. Патент № 2744344, МПК G01M 17/02 (2006.01). Стенд для исследования влияния боковой силы на тяговые качества одноосного колесного движителя / В.В. Гудков, А.А. Колтаков, П.А. Сокол, Р.В. Могутнов, А.В. Василенко; заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА». – № 2020130596; заявл. 16.09.2020; опубл. 05.03.2021, Бюл. № 7. – 7 с.
20. Патент № 2744276, МПК G01M 17/02 (2006.01). Стенд для испытания одноосного ко-лесного движителя с крупногабаритными пневматическими шинами / А.В. Василенко, А.А. Кол-таков, П.А. Сокол, Р.В. Могутнов, С.Д. Винокуров; заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА». – № 2020128605; заявл. 27.08.2020; опубл. 04.03. 2021, Бюл. № 7. – 7 с.
21. Патент № 2591541, МПК G01L5/13 (2006.01). Стенд для проведения тяговых испытаний колесных землеройно–транспортных машин / В.В. Гудков, П.А. Сокол; заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА». – № 2014151331; заявл. 17.12.2014; опубл. 20.07.2016, Бюл. № 20. – 5 с.
