ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Загородній Олексій Анатолійович

УДК 629.113.012

ВПЛИВ ДОРОЖНіХ УМОВ, ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ І КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ АВТОМОБІЛЬНИХ ШИН НА РІВЕНЬ ЇХ ШУМОВИПРОМІНЮВАННЯ

Спеціальність 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Карпенко Володимир Олександрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри деталей машин і ТММ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Юрченко Анатолій Миколайович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин

кандидат технічних наук, доцент Волонцевич Дмитро Олегович, Національний технічний університет „ХПІ”, доцент кафедри колісних та гусенічних машин

Провідна установа: Національний транспортний університет, кафедра „Автомобілі”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “15” червня 2005 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “11” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, І.С. Наглюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В науково-технічних роботах, у яких досліджуються процеси утворення звуку при русі шини по дорожній поверхні, досить ґрунтовно розглянуті питання шумовипромінювання шин при проведенні експериментальних випробувань. У цей час існує цілий ряд методів, що дозволяють визначити рівень звуку, що генерирує шина в процесі її руху по дорожній поверхні, однак в основному, це дорожні або лабораторні дослідження, які вимагають значних часових і грошових витрат. Крім того, при проведенні дорожніх випробувань практично неможливо зробити поділ окремих процесів шумоутворення різних елементів шини, що ускладнює дослідження впливу цілого ряду факторів.

У даній роботі при проведенні експериментальних досліджень виділяється один механізм генерації (коливання боковини шини), для чого проводяться дорожні випробування шин без малюнка протектора. Крім того, дорожні випробування шин при різних режимах руху, навантаженнях і внутрішньому тиску повітря в них на різних дорожніх покриттях дозволили визначити вплив реальних умов експлуатації шини на рівень її шумовипромінювання.

У той же час відзначається, що відсутні теоретичні розробки, які дозволили б визначити рівень шумовипромінювання шини без проведення експериментальних випробувань, що в свою чергу, не дає можливості оцінити вплив експлуатаційних факторів і конструктивних параметрів шин на їхній шум і виявити шляхи його зниження. Дана обставина визначає актуальність пропонованої роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Запропоновані дослідження є частиною наукових праць, які проводилися в рамках хоздоговорів між ХНАДУ й ЗАТ СП “Росава” протягом з 1999 по 2003 рік, спрямовані на визначення рівнів генеруємого звуку шинами й розробку рекомендацій з його зниження.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики оцінки рівня шумовипромінювання автомобільної шини на стадії її проектування.

У зв'язку з тим, що шина являє собою складний об'єкт для розрахунку, у якому злилися воєдино багато завдань механіки, що значно ускладнює комплексне моделювання різних процесів, що відбуваються в ній, основними завданнями для даної роботи є:

- розробка математичних залежностей, що описують окремі механізми генерації шуму;

- оцінка внеску кожного з досліджених механізмів генерації в загальну картину шумовипромінювання;

- визначення впливу на рівень шумовипромінювання шини її експлуатаційних (швидкість кочення колеса, тиск повітря в шині, навантаження на шину, вид і стан дорожнього покриття) і конструктивних (геометричні розміри, фізико-механічні властивості й малюнок протектора) параметрів;

- проведення експериментальних досліджень по визначенню впливу на рівень шумовипромінювання шини її експлуатаційних і конструктивних параметрів;

- перевірка адекватності розроблених математичних моделей шляхом зіставлення розрахункових результатів з результатами експерименту.

Об'єкт дослідження – процеси шумоутворення при русі автомобільної шини по дорожній поверхні.

Предмет дослідження – автомобілна шина та механізми генерації звуку при її русі.

Методи дослідження. Методологія досліджень включала проведення експериментальних оцінок впливу різних експлуатаційних та конструктивних параметрів шини та дорожньої поверхні на рівень шумовипромінювання.

У теоретичних розробках використано методологію системного аналізу, метод кінцевого елементу, математичний аналіз, виконаний за допомогою комп’ютерної програми Mathcad, а також статистичну обробку результатів дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- запропонований новий підхід в розроблені математичних залежностей окремих механізмів генерації шуму, що враховують вплив ряду експлуатаційних і конструктивних параметрів шини;

- визначений вплив, дорожньої поверхні та експлуатаційних і конструктивних параметрів шини на рівень її шумовипромінювання як для серійних шин так і для шини без малюнка протектора;

- вперше запропонована методика, що дозволяє визначати передбачуваний рівень генерируємого шуму на стадії проектування шини.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена методика дозволяє здійснити розрахунок рівня генерируємого звуку при проектуванні шини й підібрати такі параметри шини, при яких шумовипромінювання буде мінімальним.

Результати проведених досліджень впроваджені на Білоцерківському шинному заводі ЗАТ СП “Росава” і використовуються при проектуванні нових моделей шин.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що:

- запропоновано новий підхід до рішення даного завдання, що полягає в аналізі окремих механізмів генерації шуму автомобільної шини [2, 3];

- проведена теоретична розробка всіх положень, які виносяться на захист [5, 6, 7, 8];

- проведене математичне моделювання окремих процесів шумоутворення і виконані розрахунки по визначенню рівня генерируємого звуку шини [5, 6, 7, 8];

- проведені експериментальні дослідження та оброблені їх результати [1, 4];

- виконаний аналіз та узагальнення досліджень [5, 6, 7, 8].

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на:

- науково-технічних конференціях викладачів, співробітників й аспірантів ХНАДУ (1999–2004 р.р.);

- науково-технічних конференціях викладачів, співробітників й аспірантів НТУ “ХПИ” (2002–2004 р.р.);

- дванадцятому симпозіумі “Проблеми шин и резинокордних композитів” ГУП “Науково-дослідний інститут шинної промисловості” (Москва, 2001 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 8 роботах в спеціальних виданнях, що входять в перелік ВАК України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертацїї складає 136 сторінок. Робота містить 53 малюнка обсягом 16 сторінок, 25 таблиць обсягом 8 сторінок; список використаних джерел з 107 найменувань на 9 сторінках, 1 додаток на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтовані актуальність і практична цінність досліджуваних завдань, сформульована мета і задачі досліджень, визначена наукова новизна та практичне значення результатів.

У першому розділі проведений аналіз літератури, у якому розглянуті напрямки досліджень, проведених вченими різних країн по вивченню процесів шумовипромінювання автомобільних шин при їх взаємодії з дорожнім покриттям. Проаналізовано деякі основні результати по оцінці впливу експлуатаційних і конструктивних параметрів шини й дорожнього покриття на рівень генерируємого звуку, отриманих в цих роботах. На підставі літературного огляду робиться оцінка стану розглянутих у роботі проблем. Аналіз літератури дозволив визначити основні напрямки досліджень. Розглянутий негативний вплив шуму транспортних потоків на організм людини й наслідки, до яких може привести його тривалий вплив.

З метою визначення методів проведення експериментальних випробувань проаналізовані існуючі методики дослідження процесів шумовипромінювання автомобільних шин. Показано, що в цей час найбільш часто використовуються наступні методи виміру: метод лабораторного дослідження; метод дорожнього дослідження при русі одиничного автомобіля накатом повз нерухомий мікрофон; метод дослідження зі створенням спеціального обладнання. При розгляді кожного з методів дослідження, відзначені його позитивні й негативні сторони.

Для детального вивчення досліджуваного процесу проведено поділ загального процесу шумоутворення на окремі механізми генерації звуку. Використаний поділ на п'ять основних груп механізмів виникнення шуму в процесі експлуатації автомобільної шини: перекачування повітря елементами малюнка протектора; проковзування елементів малюнка протектора в зоні плями контакту; удари елементів малюнка протектора об поверхню дороги; вібрації протектора й боковин шини; шум, викликаний потужним струмом повітря біля шини.

Фізика процесу перекачування повітря елементами малюнка протектора може бути представлена двома явищами: видавлюванням повітря з порожнин малюнка й засмоктування повітря назад. У той момент, коли частина протектора входить у контакт із дорогою, шина деформується й гума протектора стискується, внаслідок чого об’єм порожнин у малюнку зменшується, а тиск повітря збільшується і він із силою виривається назовні, викликаючи тим самим звукові коливання навколишнього середовища.

Спостерігається також і зворотнє явище. Коли відбувається розмикання протектора й дороги, внутрішній обсяг порожнин збільшується, у них створюється розрідження і повітря під дією атмосферного тиску спрямовується в порожнини малюнка, знову викликаючи коливання середовища.

Очевидно, що чим більше швидкість руху автомобіля, тим інтенсивніше процес зміни тиску в порожнинах протектора й тим вище енергія випромінюваного звуку.

При дослідженні процесу проковзування елементів малюнка протектора в зоні плями контакту необхідно розглянути проходження одиничного елемента малюнка протектора через цю зону. В момент зіткнення з дорогою елемент наче “прилипає” до неї, але при проходженні зони контакту він не залишається нерухомим, а прослизає під впливом тангенціальних і бічних сил пружності шини. Даний вид генерації шуму найбільш помітний при русі автомобіля на крутих поворотах і при гальмуванні юзом, коли повністю блоковані колеса. Основною причиною виникнення шуму при цьому є тангенціальний і бічний зсув елементів малюнка протектора при проходженні зони плями контакту.

У такий спосіб “прилипання”, а потім зсув елемента малюнка протектора приводить до виникнення вібрації самих елементів малюнка протектора, а як наслідок і повітря в порожнинах малюнка. Збільшення рівня звуку спостерігається при русі по поверхнях з незначною шорсткістю. Це відбувається тому, що зменшення шорсткості призводить до збільшення тангенціальних зрушень елементів протектора, а отже до більших коливань повітря в порожнинах малюнка.

Шум шини при ударі елементів малюнка протектора генерується через їхню динамічну взаємодію з дорогою. При коченні шини елементи малюнка входять у контакт не плавно, а зі швидкостями, рівними кутової швидкості колеса. Іншими словами, є присутнім удар протектора об поверхню дороги. Цей удар дає імпульс енергії, що викликає коливання оболонки в радіальному й тангенціальному напрямках. Ці коливання частково перетворюються в тепло, а частина енергії вібруючих стінок шини перетворюється у звукову енергію. На інтенсивність випромінювання звуку впливає кількість елементів малюнка протектора, розташованих на біговій доріжці шини, а також шорсткість поверхні дороги.

Аналіз наявних даних показує, що при взаємодії шини із сухою дорожньою поверхнею випромінювання шуму викликане, насамперед, поширенням вібрації із зони плями контакту по оболонці шини. Рух автомобільної шини по поверхні дороги, що має випадковий профіль, а також взаємодія малюнка протектора з нею викликають складну вібрацію шини. При коченні шини по дорожній поверхні в каркасі шини виникають вібрації й структурний шум, передаються в навколишнє середовище і сприймаються як звук, їх розділяють на коливання, викликані коченням шини в цілому, і коливання, що стосуються елементів шини.

При частотах більше 250 Гц характер поширення вібрації по оболонці шини змінюється. У цьому випадку вібрації поширюються по бічній стінці шини, однак швидко загасають і не охоплюють всю оболонку.

Шум, викликаний потужним потоком повітря біля шини, можна пояснити наявністю повітряних вихрів, що виникають як при поступальному русі шини (у цьому випадку шина розглядається як тверде тіло, що має форму диска), так і при обертальному. Взаємодія елементів малюнка протектора також приводить до виникнення вихрів, а отже й шуму.

Оскільки при проведенні експериментальних досліджень було визначено, що даний механізм генерації має суттєвий вплив при швидкостях руху вище 100 км/год, де починає домінувати не шина, а аеродинамічний обдув автомобіля в цілому, у роботі цей механізм не розглядався.

Разом з тим, можна зробити висновок, що жоден з описаних механізмів генерації шуму шин основним не є, і залежно від тих або інших умов руху колеса відбувається взаємодія різних механізмів генерації шуму що, у свою чергу, приводить до виникнення шуму автомобільних шин різної інтенсивності й рівня звукового тиску. У зв'язку із цим необхідно зробити поділ загального процесу шумоутворення на окремі механізми генерації й змоделювати кожний з них окремо, після чого одержати сумарний рівень шуму для шини в цілому, що дозволить виявити й досліджувати вплив різних параметрів шини й дорожнього покриття на той або інший механізм генерації шуму.

В якості основних параметрів шини, що впливають на рівень шуму, розглянемо наступні: швидкість руху автомобіля (швидкість кочення колеса); вид і стан дорожнього покриття; внутрішній тиск повітря в шині й навантаження на неї; геометричні розміри шини; фізико-механічні властивості шини; малюнок протектора автомобільної шини (враховуються геометричні розміри елементів малюнка, їх кількість, маса й фізико-механічні властивості).

Крім того, доцільно здійснити поділ механізмів генерації й при проведенні експериментальних досліджень, що дозволить не тільки оцінити вірогідність розроблених моделей, але й дасть можливість у реальних дорожніх умовах визначити вплив експлуатаційних факторів і конструктивних параметрів на шум шин.

У другому розділі представлене моделювання окремих механізмів генерації, при цьому в кожному випадку проводиться заміна досліджуваного процесу на процес випромінювання звуку певним джерелом.

Для рішення завдання моделювання процесу шумовипромінювання, викликаного коливанням боковини, представимо боковину шини в області плями контакту у вигляді елемента пульсуючої сфери.

У зв'язку з представленням шини у вигляді пульсуючої оболонки, прийняті наступні припущення:

- оболонка є відкритою, без обмежень на форму її радіальних коливань;

- розглядається оболонка, що пульсує в ідеальному середовищі із хвильовим опором С;

- стінки оболонок є однорідними і їх товщиною ми зневажаємо;

- вважаємо, що оболонка робить гармонійні коливання, при яких точки її внутрішніх і зовнішніх стінок, що лежать на одному радіусі, коливаються синфазно з однаковими швидкостями в радіальному напрямку.

Для визначення інтенсивності генерируємого звуку використовуються рівняння, які характеризують акустичне поле для пульсуючої сфери:

(1)

де v0 – амплітудна швидкість коливань, м/с; rc – радіус сфери, м; k – хвильове число, м-1; щільність середовиша, кг/м3; с – швидкість звуку в повітрі, м/с; r – відстань до точки виміру тиску від центра сфери, м.

Величину v0rc2 прийнято заміняти продуктивністю джерела :

.

Залишаючи у формулах сферичного джерела тільки дійсні частини, одержуємо:

, (2)

Аналізуючи отримані формули, можна зробити висновок, що характеристики акустичного поля залежать від хвильового опору середовища – с і від хвильового числа, що у свою чергу залежить від циклічної частоти джерела звуку й швидкості поширення звуку:

, (3)

де – циклічна частота (частота коливання боковини), с-1; с – швидкість звуку в повітрі, м/с.

Циклічна частота визначається по формулі

, (4)

де rst – статичний радіус колеса, м; Vk – швидкість кочення колеса, м/c.

Для знаходження амплітудної швидкості коливання боковини визначимо переміщення боковини при статичному навантаженні, для чого використаємо метод кінцевих елементів. У цьому випадку завдання для структурного аналізу шини, навантаженої внутрішнім тиском повітря, розглядається, як завдання для осесиметричної моделі твердого тіла, при значних переміщеннях, але малих деформаціях. По своїх властивостях матеріал шини розбитий на два типи: незжатий ізотропний – гума й ортотропный – резинокордный композит.

Амплітудну швидкість коливання знаходимо через переміщення боковини при динамічному навантаженні, що визначається по формулі:

bd = bstk , (5)

де bst – переміщення боковины при статичному навантаженні, отримане з використанням метода кінцевих елементів, м; k – коефіцієнт динамічності.

Коефіцієнт динамічності враховує вплив дорожньої поверхні на переміщення боковины. Відомо, що при збільшенні швидкості й погіршенні стану дорожнього покриття дія на колесо динамічного навантаження у 1,5 – 3 рази перевищує прикладене до нього статичне навантаження. Стан дорожнього покриття визначається глибиною нерівностей на кілометр його довжини (Sd). Для досліджуваного випадку приймаємо стан дорожнього покриття з характеристикою Sd=200 см/км.

Також амплітудна швидкість залежить від часу переміщення боковини з вільного стану в положення при її деформації, під час навантаження (входження колеса в пляму контакту):

, (6)

де l – довжина плями контакту колеса, м; R1 – радіус проведений до точки на боковині, нормаль до якої паралельна осі обертання колеса, м.

Використовуючи залежність для переміщення (5) і для часу (6), запишемо залежність для амплітудної швидкості коливання:

, (7)

де bd – переміщення боковини, м.

Використовуючи наведені залежності були отримані результати розрахунків інтенсивності звуку дослідженого механізму генерації (табл. 1).

Таблиця 1

Значення інтенсивності звуку, L

Vk, | км/год | 36 | 43 | 50 | 57 | 64 | 72 | 79 | 86 | 93 | 100

м/с | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28

L, дБА | 53,86 | 57,14 | 60,04 | 62,7 | 65,2 | 67,6 | 69,94 | 72,23 | 74,48 | 76,68

При моделюванні механізму шумоутворення, викликаного видавлюванням повітря елементами малюнка протектора, процес коливання повітря замінений на процес коливання мембрани. Геометричні параметри мембрани представлені у вигляді геометричних розмірів канавки елемента малюнка протектора шини, тобто площа мембрани дорівнює площі вихідного отвору елемента протектора. У свою чергу частота коливання мембрани залежить від кількості канавок малюнка протектора, розташованих по окружності колеса. Це два основних геометричних параметрів шини, що впливають на рівень її шумовипромінювання, створюваного при видавлюванні повітря елементами малюнка протектора при русі шини по дорозі.

При виводі характеристик акустичного поля цього механізму генерації скористаємося завданням про далеке акустичне поле мембрани, для чого запишемо параметри, які характеризують поле мембрани:

амплітуда звукового тиску, Па:

; (8)

інтенсивність випромінювання, Вт/м2:

, (9)

де – щільність середовища, кг/м3; с – швидкість звуку, м/с; S – площа випромінювача, м2; – циклічна частота коливання процесу, c-1; Vk – лінійна швидкість руху колеса, м/с; J0(z) – функція Бесселя.

Аргумент z визначається по наступній залежності:

z = k r sin( ), (10)

де k – хвильове число, м-1; – кут підйому точки виміру шуму над рівнем дороги, град; r – відстань від джерела випромінювання шуму до точки виміру, м.

Циклічну частоту коливання визначаємо по формулі

, (11)

де nk – параметр, що характеризує частоту коливання мембрани і дорівнює кількості виходів канавок протектора, розташованих по окружності колеса.

Використовуючи наведені залежності були отримані результати розрахунків інтенсивності звуку дослідженого механізму генерації (табл. 2).

Таблиця 2

Значення інтенсивності звуку, L

Vk, | км/год | 36 | 43 | 50 | 57 | 64 | 72 | 79 | 86 | 93 | 100

м/с | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28

L, дБА | 50,2 | 53,35 | 56,03 | 58,5 | 60,39 | 62,3 | 63,88 | 65,39 | 66,78 | 68,1

При моделюванні процесу удару елементів малюнка протектора об дорожню поверхню представимо елемент малюнка протектора як стрижень висотою h і поперечною площею A (рис. 2). Будемо розглядати імпульс навантаження інтенсивністю , що рухається уздовж стрижня зі швидкістю c0. За час dt фронт хвилі просунеться на відстань dx= c0dt, а елемент маси мAdx під дією імпульсу тиску придбає швидкість V0.

Згідно закону збереження кількості руху елемент буде стиснуто на величину du=V0dt і його деформація дорівнює:

. (12)

Використовуючи (12), визначимо швидкість часток стрижня:

, (13)

де E – модуль Юнга матеріалу протектора, МПа.

Напруги, які виникають при імпульсному навантаженні в елементі малюнка протектора, визначаються силою його взаємодії з опорною поверхнею згідно II закону Ньютона:

, (14)

де m – маса елемента, кг; – кутова швидкість колеса, с-1; rst – статичний радіус колеса, м.

Таким чином, остаточна залежність для напруг прийме вигляд:

. (15)

А остаточна залежність для швидкості руху часток, що дорівнює амплітудній швидкості коливання стінок елемента протектора:

. (16)

У процесі випромінювання звуку цим механізмом генерації утвориться плоска хвиля. Визначимо характеристики акустичного поля для плоскої хвилі на відстані r:

звуковий потенціал:

(17)

інтенсивність випромінювання, Вт/м2:

, (18)

де Ф () – функція спрямованості плоского випромінювача, що визначається по залежності:

, (19)

де a і b – сторони випромінювача, м; – довжина хвилі, м.

Циклічну частоту коливання джерела випромінювання звуку визначаємо по формулі:

, (20)

де n – кількість елементів протектора на біговій доріжці колеса.

Використовуючи наведені залежності були отримані результати розрахунків інтенсивності звуку дослідженого механізму генерації (табл. 3).

Таблиця 3

Значення інтенсивності звуку, L

Vk | км/год | 36 | 43 | 50 | 57 | 64 | 72 | 79 | 86 | 93 | 100

м/с | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28

L, дБА | 50,3 | 54,93 | 58,83 | 62,2 | 65,1 | 67,66 | 69,94 | 71,9 | 73,84 | 75,5

При моделюванні процесу проковзування елементів малюнка протектора, шина замінена кільцями, число яких рівняється кількості ребер протектора. Теоретичний розрахунок інтенсивності шумовипромінювання проводиться для кожного кільця окремо, але аналіз результатів виконується для сумарного шуму, що виникає при цьому механізмі генерації.

Проковзування елементів малюнка протектора щодо опорної поверхні з урахуванням сил тертя в зоні ковзання можна визначити по залежності:

, (21)

де w – подовжнє переміщення серединної поверхні, м; d – зрушення серединної поверхні при деформації протектора, м; h – товщина шару протектора, м; rst – статичний радіус колеса, м; wo – початкове значення подовжніх переміщень серединної поверхні, м; x – вертикальне переміщення серединної поверхні, м.

Одним з основних параметрів, від якого залежить випромінювання шуму, досліджуваного механізму генерації, є частота проковзування:

, (22)

де n – кількість елементів протектора розглянутого кільця.

Амплітудну швидкість коливання джерела випромінювання шуму приймаємо рівною швидкості проковзування елементів малюнка протектора щодо дорожньої поверхні. Швидкість проковзування визначаємо по залежності:

, (23)

де T – час проковзування елементів малюнка протектора розглянутого кільця, с.

Використовуючи характеристики акустичного поля для плоскої хвилі на відстані r, зробимо розрахунок інтенсивності звуку дослідженого механізму генерації (табл. 4).

Таблиця 4

Значення інтенсивності звуку, L

Vkкм/год | 36 | 43 | 50 | 57 | 64 | 72 | 79 | 86 | 93 | 100

м/с | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28

L, дБА | 48 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 54,86 | 55,6 | 56,3 | 57

Використовуючи результати, отримані для чотирьох механізмів генерації, визначимо значення сумарного шумовипромінювання для декількох шин (рис. 3, табл. 5 – 6).

Таблиця 5

Розрахункові дані інтенсивності звуку для шини 175/70 R13 БЦ-4, L, дБА

Швидкість кочення, Vk

Механізми

генерації звуку |

км/год | 36 | 43 | 50 | 57 | 64 | 72 | 79 | 86 | 93 | 100

м/с | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28

Коливання боковини | 53,9 | 57,1 | 60,1 | 62,7 | 65,2 | 67,6 | 69,9 | 72,2 | 74,5 | 76,7

Видавлювання повітря | 50,2 | 53,4 | 56,1 | 58,4 | 60,4 | 62,2 | 63,9 | 65,4 | 66,8 | 68,1

Удар елементів | 50,3 | 54,9 | 58,8 | 62,2 | 65,1 | 67,7 | 69,9 | 71,9 | 73,8 | 75,5

Проковзування | 48 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 54,9 | 55,6 | 56,3 | 57

Загальний шум | 57,2 | 60,4 | 62,8 | 66,2 | 68,1 | 69,6 | 72,9 | 74,9 | 76,8 | 78,6

Таблиця 6

Розрахункові дані інтенсивності звуку для шини 175/70 R13 БЦ-42, L, дБА

Швидкість кочення, Vk

Механізми

генерації звуку |

км/год | 36 | 43 | 50 | 57 | 64 | 72 | 79 | 86 | 93 | 100

м/с | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28

Коливання боковини | 53,8 | 57,1 | 60,1 | 62,7 | 65,2 | 67,6 | 69,9 | 72,2 | 74,5 | 76,7

Видавлювання повітря | 55,1 | 58,2 | 60,9 | 63,3 | 65,3 | 67,1 | 68,8 | 70,3 | 71,6 | 72,7

Удар елементів | 60,1 | 64,7 | 68,7 | 71,9 | 74,9 | 77,5 | 79,9 | 81,9 | 83,9 | 85,6

Проковзування | 55,2 | 56,8 | 58,1 | 59,8 | 60,3 | 61,2 | 62,0 | 62,8 | 63,5 | 64,2

Загальний шум | 62,1 | 66,7 | 69,7 | 72,9 | 75,9 | 78,5 | 80,9 | 82,9 | 85,8 | 86,6

третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень шин різних моделей і конструкцій на різних дорожніх покриттях при декількох режимах руху. Для проведення дорожніх випробувань використовувався метод дорожнього дослідження.

При проведенні дорожніх експериментів був визначений вплив різних експлуатаційних і конструктивних параметрів шин на рівень їх шуму. Результати впливу швидкості кочення колеса, малюнка протектора (рис. 5, а) і геометричних розмірів (рис. 5, б) на рівень генерируемого звуку представлені на рис. 5.

В основі шумоутворення шин лежить їх взаємодія з дорожньою поверхнею, від неї головним чином і залежить рівень зовнішнього шуму, а не від аеродинамічних потоків, що утворяться біля шини при русі.

Необхідно зазначити, що одним з основних факторів, що визначають процес генерації звуку і його максимальні рівні, варто визнати вид і стан дорожньої поверхні.

Довгий час дослідженню впливу внутрішнього тиску повітря в шині на рівень звуку не приділялася увага. І хоча, при правильній експлуатації, шини працюють при постійному тиску, що змінюється у вузькому диапазані, однак у деяких випадках недбалий контроль за тиском повітря в шині може призвести до поступового його зниження. Тому з наукового погляду ця проблема являє собою певний інтерес. На рис. 7, а показані залежності рівня шумовипромінювання для шини 175/70 R 13 мод. БЦ-43, а на рис. 7, б для шини 175/70 R 13 без малюнка протектора при різному внутрішньому тиску повітря.

З метою дослідження окремих механізмів генерації були проведені дорожні випробування шини типорозміру 175/70 R 13 без малюнка протектора, що дало можливість звести до мінімуму такі механізми генерації, як перекачування повітря елементами малюнка протектора, удар елементів малюнка протектора об нерівності дорожньої поверхні, відносне проковзування елементів малюнка протектора в плямі контакту. Після цього був проведений порівняльний аналіз рівнів шумовипромінювання для шини без малюнка протектора із шиною, що випускається серійно.

У четвертому розділі проведений порівняльний аналіз результатів, отриманих теоретичним та експериментальним шляхом. При цьому порівняння результатів, отриманих для моделі коливання боковини, проводилося з експериментальними результатами для шини без малюнка протектора, а в інших випадках проводилося порівняння сумарного результату для всіх моделей (розрахованих для певних шин) з результатами випробування цих шин.

З метою порівняння результатів, отриманих теоретичним і експериментальним шляхом, для оцінки впливу виду дорожнього покриття та внутрішнього тиску повітря в шині побудовані залежності, представлені.

В роботі розглянуті питання пов’язані з розділенням механізмів генерації шуму автомобільної шини, методологією дослідження шуму шин, а також проведено аналіз впливу на їх шум різних факторів. Це дало змогу зробити висновки, що дозволяють в подальшому проводити дослідження процесів шумовипромінювання автомобільних шин з метою рішення комплексної задачі по зниженню їх шумності, що значним чином покращить екологічну безпеку великих населених пунктів.

Методика, що запропонована в роботі дозволяє проводити моделювання процесів шумовипромінювання, як окремих механізмів генерації, так і шума автомобільної шини в цілому, як для вже існуючих, так і для шин, що тільки проектуються. Проведені дослідження дають змогу визначати та прогнозувати рівень шумовипромінювання автомобільної шини на стадії її проектування, в результаті чого відпадає необхідність в проведені дорожніх досліджень, що значним чином зменшує їх витратну частину.

Використовуючи дорожні дослідження вдалося отримати кількісні показники рівнів звукового тиску шин різної конструкції в залежності від швидкості руху автомобіля, дорожніх умов, а також експлуатаційних та конструктивних факторів. Ці данні можуть бути використані як спеціалістами з експлуатації автомобілей, так і конструкторами автомобільних шин при виборі і розробці менш шумних шин.

Таким чином в даній роботі вирішені наступні задачі:

1. Розроблено методику визначення рівня шумовипромінювання автомобільних шин, яка може бути використана на стадії розробки нових шин без проведення експериментальних досліджень.

2. Розроблено теоретичні залежності, які описують окремі механізми генерації звуку при русі автомобільної шини по дорожній поверхні.

3. Аналіз розрахунково-теоретичних і експериментальних результатів дозволив визначити вплив експлуатаційних і конструктивних параметрів шини на рівень її шумовипромінювання:

- збільшення швидкості руху автомобіля у два рази приводить до збільшення рівня звукового тиску на 8...10 дБА;

- перехід від гладкого асфальтобетонного покриття на бетонне покриття рівень звуку зростає на 3...4 дБА, від гладкого асфальтобетонного на щебеночне - на 2...7 дБА;

- наявність водяної плівки на поверхні дорожнього покриття призводить до збільшення шумовипромінювання на 3...7 дБА;

- зменшення навантаження на шину на 40% призводить до зменшення генерируємого звуку на 5...8 дБА;

- зниження тиску повітря в шині на 30% призводить до підвищення звуку на 3...5 дБА;

- збільшення висоти боковини шини на 20 % (15...20 мм) призводить до збільшення шуму на 5...6 дБА;

- при збільшенні площі вихідних канавок у малюнку протектора на 5 % , генерируємий звук зростає на 2...4 дБА;

- при збільшенні маси елементів малюнка протектора в два рази й зменшенні їх кількості в півтора раза звук зростає на 5...8 дБА;

- наявність малюнка протектора на шині збільшує рівень звуку, що вона генерирує, на 2...3 дБА в порівнянні з аналогічними показниками шини без малюнка протектора;

4. Порівняння результатів, отриманих теоретично й експериментально, показало, що погрішність розроблених моделей не перевищує 8 %. При цьому найбільша розбіжність спостерігається із збільшенням швидкості кочення колеса в діапазоні від 22 до 28 м/с (80 – 100 км/год).

5. Аналіз впливу експлуатаційних і конструктивних параметрів шини на рівень її шумовипромінювання, показав кількісний й якісний збіг розрахункових й експериментальних даних. Розбіжність по всіх параметрах не більше 10 %.

6. Розроблена методика розрахунку прогнозованого рівня шуму автомобільної шини використовується при проектуванні та розробці нових моделей шин в конструкторському бюро ЗАТ СП „Росава”.

НАУКОВІ ПРАЦІ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Карпенко В.А., Музалов Е.В., Клецков В.Г., Загородний А.А. Влияние скорости качения колеса и рисунка протектора шин на их шумоизлучение // Автомобильный транспорт: Сб. научн. трудов. – Вып. – 6. – Харьков: Из-во ХГАДТУ. – 2001. – С. 69–72. (Диссертантом виконані експериментальні дослідження впливу швидкості руху та малюнка протектора на рівень шуму шин).

2. Карпенко В.А., Музалов Е.В., Клецков В.Г., Загородний А.А., Черток Е.Е. Методы исследования шумоизлучения автомобильных шин // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета: Сб. научн. трудов. – Вып. – 14. – Харьков: Из-во ХГАДТУ. – 2001. – С. 70–73. (Диссертантом проведено аналіз існуючих методів дослідження шуму шин).

3. Карпенко В.А., Загородний А.А. Оценка методик шумоизлучения автомобильных шин // Механіка та машинобудування: Науково-технічний журнал. – № 1. – Харьков: Из-во НТУ ХПІ. – 2002. – С. 31–35. (Диссертантом проведено аналіз методики визначення шумовипромінювання шин в дорожніх умовах з метою проведення експерименту).

4. Карпенко В.А., Музалов Е.В., Загородний А.А. Влияние дорожного покрытия на уровень шумоизлучения автомобильных шин // Механіка та машинобудування: Науково-технічний журнал. – № 1, том 1. – Харьков: Из-во НТУ ХПІ. – 2003. – С. 184–190. (Диссертантом проведено аналіз впливу виду та стану дорожнього покриття на рівень генеруємого звуку у навколишнє середовище).

5. Карпенко В.А., Загородний А.А., Левченко А.Н. Моделирование процесса шумоизлучения автомобильной шины, вызванного выдавливанием воздуха из элементов рисунка протектора // Автомобильный транспорт: Сб. научн. трудов. – Вып. – 14. – Харьков: Из-во ХНАДУ. – 2004. – С. 56–59. (Диссертантом розроблена математична залежність, що дозволяє отримати результати по визначенню шуму шини від такого механізма генерації, як видавлювання повітря між елементами малюнка протектора).

6. Карпенко В.А., Загородний А.А., Левченко А.Н. Моделирование процесса шумоизлучения автомобильной шины, вызванного проскальзыванием элементов рисунка протектора в пятне контакта // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. трудов. - Вып. – 25. – Харьков: Из-во ХНАДУ. – 2004. – С. 35–40. (Диссертантом розроблена математична залежність, що дозволяє отримати результати по визначенню шуму шини від такого механізма генерації, як прослизання елементів малюнка протектора в плямі контакта).

7. Карпенко В.А., Загородний А.А., Левченко А.Н. Моделирование процесса шумоизлучения, вызванного колебанием боковины как отдельного механизма генерации шума автомобильной шины // Механіка та машинобудування: Науково-технічний журнал. – № 1. – Харьков: Из-во НТУ ХПІ. – 2004. – С. 135–142. (Диссертантом розроблена математична залежність, що дозволяє отримати результати по визначенню шуму шини від такого механізма генерації, як коливання боковини).

8. Карпенко В.А., Загородний А.А., Левченко А.Н. Моделирование процесса шумоизлучения, вызванного ударами элементов рисунка протектора, как отдельного механизма генерации шума автомобильной шины // Механіка та машинобудування: Науково-технічний журнал. – № 2. – Харьков: Из-во НТУ ХПІ. – 2004. – С. 154–159. (Диссертантом розроблена математична залежність, що дозволяє отримати результати по визначенню шуму шини від такого механізма генерації, як удар елементів малюнка протектора об дорожню поверхню).

АНОТАЦІЯ

Загородній О.А. Вплив дорожніх умов, експлуатаційних і конструктивних параметрів автомобільних шин на рівень їх шумовипромінювання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2005.

В роботі представлені результати експериментальних досліджень по визначенню рівней шумовипромінювання, що генерує шина при її русі по дорожній поверхні, що дозволило зробити оцінку впливу дорожніх умов (вид та стан дорожньої поверхні), експлуатаційних (швидкість кочення колеса, внутрішній тиск повітря в шині і навантаження на шину), а також конструктивних (фізико-механічні властивості, малюнок протектора і геометричні розміри) параметрів шини на рівень її шумовипромінювання.

Здійснено розподіл та математичне моделювання окремих механізмів генерації, що дало можливість розробити методику по визначенню прогнозованого рівня шумовипромінювання шини на стадії її проектування та розробки нових зразків шин.

Розроблена методика використовується при проектуванні та розробці нових моделей шин в конструкторському бюро ЗАТ СП „Росава”.

Ключові слова: шина, шумовипромінювання, механізми генерації, боковина, інтенсивність звуку, звуковий тиск, амплітудна швидкість, джерело шуму, функція спрямованості.

АНОТАЦИЯ

Загородний А. А. Влияние дорожных условий, эксплуатационных и конструктивных параметров автомобильных шин на уровень их шумоизлучения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученого звания кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2005.

В работе представлены результаты экспериментальных исследований по определению уровней звука, генерируемого шиной при ее движении по дорожной поверхности. Проведенные исследования позволили оценить влияние дорожных условий (вид и состояние дорожного покрытия), эксплуатационных (скорость качения колеса, внутреннее давление воздуха в шине, нагрузка на колесо) и конструктивных (физико-механические свойства, рисунок протектора и геометрические размеры) параметров шины на уровень ее шумоизлучения.

Проведено разделение и математическое моделирование отдельных механизмов генерации шума при движении шины по дорожной поверхности. При исследовании каждого механизма генерации проведена оценка влияния эксплуатационных и конструктивных параметров шины как на этот отдельный механизм генерации так и на уровень шума шины в целом.

С целью разделения механизмов генерации при экспериментальных исследований проведены дорожные испытания шины без рисунка протектора, что дало возможность выделить такой механизм, как колебание боковины. Это разделение позволило провести сравнительный анализ, результатов, полученных по разработанным теоретическим зависимостям с результатами экспериментальных исследований. Сравнительный анализ показал, что предложенные в данной работе математические зависимости позволяют с достаточной погрешностью производить расчеты уровней звука, генерируемого шиной в окружающее пространство при различных режимах движения и условиях эксплуатации.

Все это дало возможность разработать методику определения прогнозируемого уровня шумоизлучения шин различных типоразмеров и конструкций на стадии их проектирования и разработки новых опытных образцов.

Разработанная методика используется при проектировании и разработке новых моделей шин на