Влияние силовой неоднородности шин на курсовую устойчивость автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»(СГТУ)

Влияние силовой неоднородности шин на курсовую устойчивость автомобиля

Гребенников С.А.

Шины, осуществляя непосредственную связь автомобильного транспортного средства (АТС) с дорогой, в значительной мере определяют его эксплуатационные качества по показателям топливной экономичности, тяговой и тормозной характеристикам, управляемости и курсовой устойчивости, большинство из которых входят в структуру активной безопасности.

Число ДТП из-за эксплуатации технически неисправных АТС по отчетам ГИБДД составляют до 5% от общего их количества, основные причины которых неисправности: автомобильных шин (17%) и колёс (10,6%); тормозной системы (31,2%), рулевого управления, амортизаторов и подвески (6,4%), приборов освещения и сигнализации (6,4%) [10]. Следовательно, более 2% аварий АТС совершаются из-за нарушений, связанных с неудовлетворительным техническим состоянием системы «колесо - шина».

Основные требования по эксплуатации шин изложены в отечественных «Правилах» [9] и международном документе ЕЭК ООН № 30. При этом многие качественные стороны, характеризующих пригодность шин, не оговариваются и, соответственно, не контролируются при технических обслуживаниях АТС в автотранспортных предприятиях (АТП) и ежегодных инспекторских проверках.

В частности, в «Правилах» [7] недостаточно полно освещены вопросы в части требований комплектации колёс шинами по допустимой неравномерности показателей их силовой неоднородности, полученных в процессе производства (в пределах допуска) или восстановлении, последствия которых рассмотрены в данной статье.

Считая, что основной функцией шины является защита АТС от возмущений дороги, с увеличением скорости движения на хороших дорогах выявляется ещё один источник возмущений - сама шина с колесом автомобиля, которые не являются идеально однородными конструкциями. Физическую сущность силовой неоднородности шин представляют как взаимосвязанную систему из элементарных упругих элементов-пружин с различающимися показателями жесткости, расположенных по её окружности. Неравномерность значений жесткости упругих элементов в радиальном и поперечном направлениях вызывают циклических различий в силах сжатия и восстановления взаимодействующих участков протектора шины в пятне контакта с поверхностью дороги с периодом, равным времени одного оборота колеса. Они и являются причиной появления разнонаправленных колебаний элементов подвески и дополнительных нормальных и касательных сил при качении шины, которые сказываются на курсовой устойчивости и тормозных свойствах АТС. Эти воздействия по физической сути не отличаются от колебательных процессов силовых взаимодействий пятна контакта шины с дорогой, свойственных неисправностям амортизаторов, дисбалансу шин, биению дисков колёс, но не всегда устраняются методами балансировки.

Следовательно, контроль и учёт работниками автосервисных предприятий влияния силовой неоднородности жесткости шин при комплектации колёс, позволит уменьшить интенсивность изнашивания шин, улучшить показатели управляемости АТС и условия труда водителей снижением уровня шума и вибрационных воздействий на кузов, что и обуславливает актуальность данного направления исследований.

Цель статьи - теоретически и экспериментально обосновать негативные последствия от неравномерности показателей силовой неоднородности жесткости шин при комплектации колёс и дать соответствующие рекомендации по совершенствованию Правил их технической эксплуатации.

Любые отклонения технического состояния в одноименных взаимодействующих элементах ходовой части автомобиля от нормативных условий приводят к асимметричному искажению эпюры нормальных и касательных напряжений протекторной части шины в пятне контакта с дорожным покрытием, а, следовательно, повышенной интенсивности изнашивания протектора на участках с более высоким давлением в зоне его контакта. Каждой причине отклонения технического состояния колёс соответствует характерный признак неравномерности износа протектора шины, который проявляется в виде преобладающего износа беговой дорожки протектора по краям (одно- или двухстороннего), середине или в виде «пятен» [5-9]. Отличительной особенностью эксплуатации элементов «подвеска - колёса - шины» является то, что с увеличением доли отклонения какого-любо их параметра технического состояния ?П от нормативных значений, приращение интенсивности изнашивания ? протектора шины осуществляется по степенной зависимости

? = f(?П)n,

где n - коэффициент, по абсолютной величине варьируется в пределах от 1,2 до 2 и более [6, 9].

Не случайно, для некоторых одноименных элементов системы «подвеска - колёса - шины» техническими условиями отечественных и зарубежных фирм - изготовителей АТС введены предельные ограничения на показатели неравномерности параметров их состояний и свойств, представленные в табл. 1.

Кроме указанных причин (табл. 1), на неравномерность износа протектора шин и одноименных деталей передней подвески оказывают различия в значениях распределения нагрузок по осям и сторонам симметрии автомобиля.

Таблица 1. - Предельные значения показателей неравномерности параметров в одноименных элементах системы «подвеска -колёса - шины» автомобиля

Как правило, более интенсивно изменяется техническое состояние элементов, расположенных справа относительно продольной оси автомобиля [7]. Известна и неравномерность значений интенсивности изнашивания шин в зависимости от осей АТС, на которых они установлены: на управляющих и ведущих - выше, чем на ведомых. На рисунке 1,а показан характерный неравномерный износ протектора шин грузовых автомобилей и автобусов по осям их установки [5], на рис. 1,б - протекторов двух типов новых шин при 24 часовом испытании до зачетных 5 тыс. км на полигоне НАМИ на колесах автомобиля FIAT Albea [4]. Многочисленные данные [5, 6, 8, 9] свидетельствуют: при неизменных местах эксплуатации шин по осям АТС разность износа их протекторов достигает 40%, для устранения которой необходима своевременная перестановка шин.

Рисунок 1. Зависимость износа протектора шин по высоте h от пробега L:

а - шины 240-580Р автомобиля ГАЗ-53А:1, 2 - соответственно правое и левое колеса управляющей оси; 3, 4 - правые и левые сдвоенные колеса ведущего моста; б - шины 175/70R14T Michelin Energy (1, 2) и Goodyear Dura Grip (1', 2') на автомобиле FIAT Albea при скорости Vcр=158,1 км/ч: 1, 1'- задняя ось; 2, 2' - передняя ось

Среди негативных факторов, вызывающих неравномерность износа протектора шин (табл. 1), снижающих их ресурс, отсутствуют, как указано ранее, какие-либо ограничения по неравномерности показателей упруго-жесткостных свойств шин относительно их расположения на осях АТС. В связи с этим, компания Hunter (США) разработала и запатентовала способ определения неравномерности упругости шины Road Force Measurement®, реализованный в стенде Hunter® Road Force® серии 9700 [12] для условия рядовой эксплуатации АТС. Имеются и отечественные разработки [5].

Силовая неоднородность жесткости каркаса шины численно отражается коэффициентами неравномерности радиальной; тангенциальной и боковой жесткостей шины. Наиболее существенны в условиях эксплуатации АТС - показатели статической и динамической радиальной жесткости шин [1, 2, 3, 6, 9-11].

В общем случае, показатель радиальной жесткости Сz шины определяется отношением вертикально приложенной к ней максимально-допустимой нагрузки Gz к значению её прогиба hz в пятне контакта с опорной поверхностью, а коэффициент силовой неоднородности радиальной жесткости - по значениям деформации hzi шины при обжиме её в восьми равноотстоящих сечениях по окружности радиальной нагрузкой Gz при нормативном внутреннем давлении Pw воздуха [9]. По результатам испытания коэффициент силовой неоднородности жесткости шин вычисляется по значению максимальной разницы изменений сил ДСz = Сzmaх - Сzmin, деленной на максимальную радиальную силу. На рис. 2 показано реальное изменение показателя жесткости новой шины 285/70R19,5 модели FR-2 Matador Master (производства SLOVAKIA), испытанной в ОАО «Федеральный исследовательский испытательный центр машиностроения» [6], коэффициент силовой неоднородности жёсткости которой дGz=0,05.

Рисунок 2. - Изменение радиальной жесткости Сz шины 285/70R19,5 модели FR-2 Matador Master по углу поворота ?? колеса

В настоящее время в России показатель силовой неоднородности жесткости для выпускаемых легковых радиальных шин с металлокордным брекером нормируется ГОСТ 5513-97 и 4754-97 и не должен превышать 2,5% от максимально допустимой нагрузки на шину. Считают, что шины различных конструкций или производителей, рассчитанных на одинаковую силовую нагрузку (по индексу нагрузки), могут отличаться по показателю среднего значения радиальной жесткости Сz до 35% [8]. По данным Б.Л. Бухина [3] при соблюдении 2,5% неоднородности жесткости шин 175/70R13 модели ИН-251 при испытании на автомобиле ВАЗ-2105 интенсивность изнашивания протектора шины увеличился на 3% по сравнению с абсолютно однородной шиной. С увеличенной в два раза неоднородностью жесткости шины, интенсивность изнашивания протектора возросла в 3 раза.

Динамическая радиальная жесткость шин зависит от внутреннего давления Pw воздуха в ней: с повышением давления, не превышающего 1,25Pw от нормативного его значения) показатель жесткости увеличивается по экспоненциальной зависимости

Сz=Сz0?e bРw ,

где Сz0 - показатель динамической жесткости шины при атмосферном давлении Pwн воздуха, кН/м;

b - коэффициент интенсификации жесткости шины по давлению воздуха. эксплуатационный шина силовой топливный

На рис. 3 показаны графики изменения показателя жесткости шин от внутреннего давления воздуха в ней по экспериментальным данным [8], аппроксимированных по зависимости (2) с высокими коэффициентами детерминации R2.

Рисунок 3. Зависимости статической жесткости Сz шин моделей

В-650АQ (Сz1), И-391 (Сz2) от давления воздуха Pw

При эксплуатации транспортного средства с неблагоприятным сочетанием показателей неравномерности жесткости шин приводит к различным коэффициентам сопротивления качения отдельных колёс и дополнительному разрушению равновесия колебательной системы «подвеска - колёса - шины» автомобиля.

В зависимости от варианта расположения колёс с шинами разной жесткости на осях АТС формируются его склонности «двигаться как краб» по касательной к прямолинейному направлению, «рыскать» из стороны в сторону, сохраняя заданную водителем траекторию (рис. 4), или иметь при определенной скорости движения резонансные колебательные процессы в элементах ходовой части АТС. Применительно к свойствам управляемости АТС такое поведение характеризуется как склонность шины отклоняться от заданной водителем траектории движения под действием возникающей поперечной силы, которая считается положительной, двигая АТС влево, отрицательной -- двигая его вправо.

Рисунок 4. Отклонения R движения АТС от прямолинейной траектории под углом б при установке шин не равной жесткости С1 < С2: а - по разные стороны осей; б - при диагональном расположении шин относительно осей автомобиля

При установке колес с меньшей (большей) жесткостью на одной стороне автомобиля (рис. 4, а) частоты колебаний колёс левой и правой сторон автомобиля будут различными, как и силы сопротивления качению. В результате, автомобиль тянет вправо при жесткости Сz1 > Сz2; для прямолинейного движения водителю необходимо рулевое колесо держать повернутым на некоторый угол относительно нейтрального положения.

При установке шин с отличающимися значениями жесткости по диагонали автомобиля произойдет рассогласование частот колебаний всех колес (рис. 4, б); каждая ось автомобиля будет двигаться по отношению к прямолинейному направлению под некоторыми углами б1, б2, а автомобиль - преимущественно в направлении движения ведущей оси.

Другой вариант - установка шин различной жесткости на разных осях автомобиля - приводит к опасности уравнять частоты колебаний передней и задней осей автомобиля, что может привести к резонансным процессам в элементах подвески и ходовой части на определенном скоростном режиме движения.

Все варианты комплектации колёс шинами с высокой неравномерностью показателей силовой неоднородности и динамической жесткости шин вызывают характерный односторонний и пятнистый износ протектора, что сказывается на уменьшении их ресурса (на рис. 4 зоны повышенного износа протектора заштрихованы), а также опасность заноса автомобиля при торможении и поворотах.

Неоднородность жесткости шин колёс одной оси приводит к трансформации силовых и кинематических параметров процесса торможения и, соответственно, к изменению курсовой устойчивости движения автомобиля, поскольку характеристика кривизны траектории с эластичными колесами управляемой оси АТС деформирует их в боковом направлении, что определяется соотношением углом O поворота управляемых колес и разностью (б2 - б1) углов увода осей автомобиля [1]

,

где - радиус кривизны траектории движения автомобиля с эластичными шинами; - расстояние между осями управляемых и ведомых колёс автомобиля

Неравномерность действия тормозных сил из-за различия показателей силовой неоднородности шин на колесах управляемой оси приводит к появлению поворачивающего момента Мх от разности тормозных сил, в то время как стабилизирующие моменты правой Мп и левой Мл шин, с увеличением тормозных сил уменьшаются до нуля, а затем изменяют направление действия. В результате управляемые колеса автомобиля самопроизвольно поворачиваются вокруг шкворней поворотных цапф в направлении действия момента Мх даже при неподвижном рулевом колесе - за счет выбора зазоров и упругой деформации деталей рулевого управления. Угол O самопроизвольного поворота управляемых колес определяется (рис. 5) из уравнения равновесия моментов сил, приложенных к ним, относительно осей шкворней

,

где - суммарный момент инерции колес и рулевой трапеции относительно шкворней; - поворачивающий момент - плечо обкатки управляемых колес; - длина цапфы; - радиус колес; - углы установки шкворней; - угол развала колес; - коэффициент угловой жесткости шин; ср, hр - приведенные характеристики жесткости и демпфирования элементов в рулевом управлении; МТ - момент сухого трения.

Рисунок 5. Схема управления ведущей осью автомобиля

Численные значения коэффициентов , hK, ср и момента МТ определяются экспериментально. Их значения зависят от типа автомобиля (iK, ср) и технического состояния рулевого управления (hp, МТ): наличия смазки, люфта и степени приработки сопрягаемых деталей

По результатам выполненной работы сделаны следующие выводы:

необходимо расширять область контролируемых свойств качества шин при их производстве и эксплуатации, в частности, показателей силовой неоднородности и динамической жесткости при их комплектации на осях автомобиля, значимо влияющих на управляемость АТС и ресурс шин;

срок службы шин и качество перевозок автомобильным транспортом во многом определяется уровнем оснащенности и подготовленности персонала автотранспортных предприятий и СТО. При этом культуру эксплуатации можно донести до владельца автомобиля путем тщательной разработки специализированных руководств, в которых отражено по возможности больше факторов, учет которых позволит: повысить ресурс шин, безопасность дорожного движения; снизить риск финансовых последствий от судебных разбирательств по факту недостаточности информационной обеспеченности автовладельца.

Библиографический список

1. Антонов Д. А. Расчет устойчивости движения многоосных автомобилей / Д.А. Антонов. - М.: Машиностроение. 1984. - 168 с.]

2. Балакина Е.В. Коэффициент сцепления шины с дорожным покрытием / Е.В. Балакина, А.В.Кочетков. - М.: Иновационное машиностроение, 2017. -292 с.

3. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин /Б.Л. Бухин. - М.: Химия. 1988. 224 с.

4. Воскресенский С. 24 часа до индикатора / С. Воскресенский // За рулём. - 2007. №10. - С. 116-119.

5. Гребенников С.А. Неравномерный износ шин: причины и способы снижения / С.А. Гребенников, А.С. Гребенников // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: Сб. науч. тр. - Саратов, Изд-во СГТУ, 2013.- С. 81-93.

6. Гончаренко С.В. Оценка упругих характеристик цельнометаллокордных шин грузовых автомобилей / С.В. Гончаренко, В.И. Прядкин // Сб. научн. тр. по матер. Междунар.заочн. науч. - практ. конф.: Актуальные направления научных исследований ХХI века: теория и практика. - Воронеж: ВГЛТУ имени Г.Ф. Морозова. 2016. № 5, - С. 226-233.

7. Правила эксплуатации автомобильных шин АЭ 001-04. - М.: Минтранс , 2004. (распоряжение № АК-9-р от 21.01.2004).

8. Санкин Ю.Н. Исследование курсовой устойчивости автомобиля при нелинейном взаимодействии шин с дорожным покрытием / Ю.Н. Санкин, М.В.Гурьянов // Вестник машиностроения.-2006. -№1. - С. 20-25.

9. Третьяков С.Б. Автомобильные шины./ С.Б. Третьяков, В.А. Гудков, А.А. Вольнов, Б.Н. Тарновский - М.: КолосС, Химия, 2007. - 432 с.

10. Ходес И.В. Формирование управляемости при проектировании колесной машины / И.В. Ходес // Автомобильная промышленность. 2008. № 1. - С. 24-26.

11. Verbesserung der Fahrdynamik durch verstellbare Dampfer / B. Bossdorf-Zimmer, R. Henze, F. Kucukay, Th. Brendecke, A. Preukschat // Aachener Kolloquium Fahrzeug - und Motorentechnik. - 2004. - № 3. - S. 667-681.

Аннотация

Анализируются показатели неравномерности эксплуатационных свойств шин, определяющих топливную экономичность, курсовую устойчивость и энергозатраты водителя при управлении автомобилем. Приводятся конкретные примеры количественной оценки силовой неоднородности жесткости шин и её влияние на управляемость автомобиля.

Ключевые слова: автомобиль, шина, эксплуатационные свойства, неравномерность, управляемость.

The indicators of uneven performance properties of tires that determine fuel efficiency, course stability and energy consumption of the driver when driving are analyzed. Specific examples of quantitative evaluation of the power heterogeneity of tire stiffness and its impact on the handling of the car are given.

Keywords: vehicle, tire, performance properties, unevenness, controllability.

Размещено на Allbest.ru