НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПЕТРОВ Олександр Вікторович

УДК 629.113

пОЛІПШЕННЯ ПОКАЗНИКІВ

КУРСОВОЇ СТІЙКОСТІ РУХУ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ З УРАХУВАННЯМ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ЇХ ШИН

Спеціальність 05.22.02 – Автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Автомобілі» Національного транспортного університету (НТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Макаров

Володимир Андрійович,

Донецький інститут автомобільного транспорту,

завідувач кафедри технічної експлуатації автомобілів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Волков

Володимир Петрович

Харківський національний автомобільно-дорожній

університет,

завідувач кафедри технічної експлуатації та

автомобільного сервісу;

кандидат технічних наук, доцент Зав’ялова

Людмила Іванівна

Полтавський національний технічний університет,

доцент кафедри теоретичної та прикладної механіки

Захист відбудеться 23.05. 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий 21.04. 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.К. Грищук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Історія розвитку автомобільного транспорту нерозривно пов'язана з підвищенням вимог до безпеки руху. Особливо актуальною стала ця проблема останнім часом, коли чітко простежуються тенденції збільшення кількості транспортних засобів на дорогах України і збільшення швидкостей руху.

Серед найбільш важливих експлуатаційних властивостей, що забезпечують безпеку руху автомобіля, необхідно відзначити курсову стійкість руху (КСР), оскільки найчастіше втрата курсової стійкості транспортного засобу супроводжується виникненням ДТП.

Конструктивно параметри КСР автомобіля тісно пов'язані з властивостями пневматичних шин. Так, при розробці конструкції автомобільної шини задаються не тільки оптимальні напруження в матеріалі шини, але і силова взаємодія колеса з поверхнею кочення, розподіл тисків в області контакту, величина деформації та ін. Однак експлуатація шин нерозривно пов'язана зі зміною характеристик її структурних елементів, що не може не відбиватися на жорсткісних властивостях автомобільної шини у цілому, і зміні характеру розподілу реакцій в області контакту шин автомобіля з дорогою, зокрема. Велика кількість автомобілів експлуатується з шинами, які мають різний технічний стан, а відповідно, і різні властивості. У цьому випадку виникає питання щодо КСР і, як наслідок, безпеки руху автомобіля з різним технічним станом шин.

Важливість впливу шин на безпечність експлуатації автомобіля відображена в Правилах дорожнього руху України, якими встановлені обмеження щодо використання на автотранспортних засобах шин з визначеними властивостями. В Правилах є вимога щодо неприпустимості експлуатації транспортних засобів у випадку, якщо на передню вісь встановлені радіальні шини, а на другу (другі) – діагональні. Тут необхідно зазначити, що в процесі експлуатації характер взаємодії колеса з опорною поверхнею за рахунок зміни технічного стану шини (насамперед, зносу протектора) змінюється достатньо суттєво.

Очевидно, що навіть при встановленні однакових шин, через деякий період експлуатації можна виявити різний ступінь зносу шин передньої та задньої осі, оскільки на інтенсивність зношування впливають: навантаження на колесо, бічні сили, тангенціальні сили (тягова та гальмівна) і тиск повітря в шинах. У кількісному вираженні ці фактори не ідентичні для шин передньої і задньої осі. Отже, якщо є різний знос протектора, то можна говорити про зміну опору бічному відведенню мостів і, як наслідок, параметрів повороткості. Оскільки вартість шин є значною складовою загальної вартості автомобіля, заміна всього комплекту, у випадку граничного зносу однієї або двох шин, є економічно необґрунтованою. Тому велика кількість автомобілів експлуатується з шинами, які мають різний технічний стан, а, відповідно, і різні властивості. У цьому випадку виникає питання щодо курсової стійкості і, як наслідок, безпеки руху автомобіля з різним технічним станом шин.

Рішення цього питання – комплексна задача, що вимагає дослідження процесів, що відбуваються в шині автомобіля під впливом експлуатаційних факторів, визначення впливу зміни технічного стану шин на їх індивідуальні характеристики взаємодії з дорогою і впливу шин на рух автомобіля в цілому.

Зазначені обставини вказують на необхідність пошуку методів оцінки впливу використання шин з різним технічним станом на параметри КСР автомобіля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт «Теорія керованості та стійкості автомобілів і автопоїздів з нетрадиційними системами керування» № РК U002446 і «Дослідження механіки і енергетики автомобілів і автопоїздів» № державної реєстрації 0104U003346, що виконуються кафедрою «Автомобілі» Національного транспортного університету.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення безпеки експлуатації автомобілів, обумовлене поліпшенням показників курсової стійкості руху, шляхом урахування технічного стану шин.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Визначення та обґрунтування критерію зміни технічного стану шин та способу врахування його в математичній моделі.

2. Розробка математичної моделі автомобіля з урахуванням критерію зміни технічного стану шин.

3. Проведення експерименту для визначення характеристик бічного відведення шин з різними значеннями критерію зміни їх технічного стану.

4. Розробка методики прогнозування курсової стійкості руху автомобіля з урахуванням критерію зміни технічного стану шин.

5. Дослідження впливу характеристик шин з різними значеннями критерію зміни їх технічного стану на показники курсової стійкості руху автомобіля.

6. Експериментальна перевірка адекватності показників розробленої математичної моделі реальним показникам курсової стійкості руху автомобіля.

7. Розробка рекомендацій щодо практичного застосування досліджень, з метою підвищення показників курсової стійкості руху автомобіля з урахуванням технічного стану шин.

Об'єктом дослідження є курсова стійкість руху автомобіля.

Предметом дослідження є вплив зміни технічного стану шин на показники курсової стійкості руху автомобіля.

Методи дослідження передбачали математичне моделювання режимів руху автомобілів з колесами, шини яких мають різний технічний стан, багатоваріантні розрахунки показників курсової стійкості руху автомобілів із зазначеними колесами, а також експериментальне визначення характеристики бічного відведення шин у залежності від технічного стану шин з використанням методики планування експерименту та експериментальні дослідження автомобіля.

Наукова новизна дослідження полягає у встановленні якісних і кількісних показників курсової стійкості руху автомобілів в залежності від технічного стану шин, а також у розробці рекомендацій щодо підвищення курсової стійкості руху автомобіля, на якому встановлюються шини різного технічного стану.

Достовірність результатів дослідження забезпечена коректним використанням основних положень теоретичної механіки і теорії автомобіля; методів математичного моделювання і графоаналітичних методів розв’язку диференціальних рівнянь; використанням сучасної контрольно-вимірювальної й обчислювальної техніки при проведенні й обробці результатів експериментальних досліджень і задовільним збігом результатів аналітичних і експериментальних досліджень.

Практичну цінність отриманих результатів складають:

-

-

Особистий внесок здобувача. Роботи [1, 2] написані здобувачем самостійно. У співавторстві здобувачу належать: [3] – аналіз математичної моделі автомобіля з керуючим колісним модулем; [4] – аналіз способів опису бічного відведення шин; [5] – розробка методики проведення експерименту на установці карусельного типу; [6] – аналіз результатів, отриманих теоретичним шляхом; [7] – опис будови та роботи установки для дослідження властивостей шин; [8] – аналіз впливу зміни внутрішнього тиску повітря в шині на коефіцієнт опору відведенню; [9] – аналіз впливу зміни жорсткісних властивостей шин на характеристики бічного відведення колеса; [10] – розробка плану проведення експерименту, обробка і аналіз отриманих результатів експерименту; [11] – аналіз результатів розрахунків, що отримані теоретичним шляхом, [12] – розробка обладнання для вимірювання кількості впливів водія на рульове колесо.

Реалізація роботи. Матеріали дисертаційної роботи впроваджені ДП «ДЕРЖАВТОТРАНСНДІПРОЕКТ» для визначення оптимальних значень жорсткісних характеристик шин при проектуванні або переобладнанні існуючих конструкцій автомобілів і відділенням автотехнічних експертиз і товарознавчої діяльності науково-дослідницького експертно-криміналістичного центру при УМВС України в Донецькій області при проведенні автотехнічних експертиз дорожньо-транспортних пригод.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались та обговорювались на конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету, м. Київ (2003 – 2007 рр.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 15 друкованих роботах: 12 статтях в спеціалізованих виданнях ВАК України та в 3 матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, основну частину, що складається з п’яти розділів, висновки, список використаних джерел зі 126 найменувань на 12 сторінках, один додаток. Повний обсяг дисертації складає 150 сторінок, з них 127 сторінок основного тексту, 72 рисунка, 10 таблиць та один додаток на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, представлено загальну характеристику роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів дослідження.

У першому розділі в рамках аналізу літературних джерел розглянуто процеси зміни технічного стану шин під час їх експлуатації. Розглянуто роботи вітчизняних і закордонних вчених стосовно опису динаміки взаємодії пневматичного колеса з опорною поверхнею (модельний і феноменологічний підходи) і загальні положення відносно визначення параметрів КСР автомобіля.

Встановлено, що за даними робіт різних авторів більш ніж 60% всіх шин виходять з експлуатації через знос протектора. Процес руйнування шини, у порівнянні зі зносом, охоплює невеликий часовий проміжок і є наслідком або випадкових механічних ушкоджень (удари об тверді дорожні перешкоди, пробої і порізи через зіткнення з твердими і гострими предметами), або істотних порушень правил експлуатації. Був зроблений висновок, що при розгляді зміни технічного стану шини варто мати на увазі насамперед знос рисунку протектора.

Знос протектора може бути рівномірним по поперечному профілю шини і по її окружності, а також нерівномірним. Рівномірний знос сам по собі не є недосконалістю, якщо інтенсивність зношування протектора номінальна, а ресурс шини відповідає заданому. Тому в роботі в якості основного параметру зміни технічного стану шин прийнятий рівномірний знос, який є найбільш розповсюдженим і відповідає правильній експлуатації автомобіля.

Аналіз літературних джерел показав, що дослідження щодо впливу зносу протектора на параметри КСР, в основному, зосереджувались на процесі погіршення зчеплення на мокрих дорогах. Для випадку сухої поверхні інтерес представляють роботи Кнороза В.І., Запорожцева А.Н. і Літвинова А.С. В них вказується на суттєвий вплив зносу протектора на коефіцієнт опору бічному відведенню шини. Різниця між коефіцієнтами опору бічному відведенню нової шини та повністю зношеної шини досягає 70%. Проведений аналіз дозволив зробити висновок, що вплив зносу протектора шин на параметри КСР можна враховувати через характеристику бічного відведення колеса.

В якості транспортного засобу, який більш доцільно розглядати в роботі, прийнято легковий автомобіль, як найбільш швидкісний і найбільш розповсюджений серед інших транспортних засобів. В якості основного параметра стійкості руху визначена критична швидкість руху автомобіля.

На основі проведеного аналізу літературних джерел сформульовані мета і задачі дослідження.

У другому розділі розглянуто питання про математичний опис бічного відведення колеса з урахуванням зносу рисунка протектора, проаналізовано існуючі математичні моделі руху автомобіля, обґрунтований вибір моделі з керуючим колісним модулем (ККМ), для якої отримані рівняння руху.

В якості критерію зносу в роботі використана зміна висоти рисунку протектора, але не в абсолютних одиницях (міліметрах), а у долях зносу у порівнянні з висотою рисунка протектора нової шини

(1)

де hзал – залишкова висота рисунка протектора, мм;

hпоч – початкова висота рисунка протектора, мм.

Величина Дh змінюється від 0 до 1: значення Дh = 1 відповідає новій шині, Дh = 0 – повністю зношеній шині.

З огляду на визначені в першому розділі задачі дослідження, характеристика бічного відведення колеса (залежність бічної сили Y від кута відведення ) повинна враховувати величину Дh, а також важливі експлуатаційні показники – внутрішній тиск повітря в шині Рw і величину вертикального навантаження на колесо Gк . Тобто, для математичного моделювання руху автомобіля з урахуванням технічного стану шин функціональна залежність для визначення бічної сили повинна мати наступний загальний вигляд:

(2)

Дослідження впливу Дh на показники КСР здійснено на математичній моделі.

Проведений аналіз існуючих математичних моделей дозволив зробити наступні висновки:

- використання складної багатомасової моделі з урахуванням підресорених і непідресорених мас є недоцільним, оскільки головною задачею є дослідження впливу на курсову стійкість руху автомобіля технічного стану шин; властивості підвіски в даній роботі не враховуються;

- з огляду на те, що досліджується вплив на курсову стійкість руху автомобіля зносу протектора шин, можна використовувати більш просту плоску «велосипедну» модель, оскільки на одну вісь автомобіля встановлюються шини однієї конструкції (регламентовано Правилами дорожнього руху) і, переважно, одного ступеня зносу. Тому достатньо розглядати відмінності між властивостями шин на передній і задній осі автомобіля, не враховуючи відмінності по бортах автомобіля, тобто не використовувати більш складну просторову модель;

- з метою врахування властивостей рульового керування слід використовувати модель з урахуванням параметрів ККМ, яка являє собою удосконалення плоскої одномасової моделі.

Для математичного опису плоскопаралельного руху моделі автомобіля з ККМ введені наступні спрощення та припущення: гіроскопічні моменти та неврівноважені моменти частин, які обертаються, не враховуються; в шарнірах рульового приводу відсутні люфти; автомобіль рухається по рівній горизонтальній поверхні; розглядається плоска „велосипедна” схема автомобіля; кути повороту зовнішнього та внутрішнього коліс рівні між собою, тобто из = ив = и; основною траєкторією є траєкторія центра мас автомобіля; моменти пружності та моменти в'язкого тертя в рульовому керуванні пропорційні, відповідно, куту повороту приведеного колеса та швидкості зміни кута повороту приведеного колеса.

В даній роботі не враховується стабілізуючий момент, який обумовлений еластичністю шин і описуються нелінійною залежністю від кута відведення, а враховується лише стабілізація коліс за рахунок поздовжнього нахилу шворня (за рахунок виносу керованого колеса).

З урахуванням вищенаведених припущень автомобіль представлений в умовно розділеному на два модулі вигляді (рис. 1):

- керуючий колісний модуль (ККМ), ланка АС1;

- кістяк автомобіля, ланка АВ.

Рис. 1. Розрахункова схема автомобіля

ККМ включає в себе приведене керуюче переднє колесо, рульове колесо і елементи рульового керування, які знаходяться між ними (рульовий привод, рульовий механізм тощо). Кістяк – це корпус автомобіля.

ККМ має одну ступінь волі відносно кістяка автомобіля – поворот навколо приведеного нахиленого шворня. Кут повороту обмежений відносно кістяка автомобіля зв'язками, що накладені рульовим керуванням, зокрема, моментами пружності і моментами в'язкого тертя .

Для знаходження проекцій швидкостей центру мас ККМ – v1, u1, абсолютної кутової швидкості щ1, а також кута бічного відведення приведених коліс д1 і д2, використовувалась схема, наведена на рис. 2. Після визначення швидкостей окремих ланок автомобіля та кутів відведення коліс їх осей, були складені диференціальні рівняння руху автомобіля методом перетинів. За цим методом диференціальні рівняння плоскопаралельного руху записувались окремо для кожної з підсистем (модулів) автомобіля (ККМ і кістяка автомобіля). Для цього були введені сили X та Y динамічної взаємодії між модулями (рис. 3).

Диференціальні рівняння руху автомобіля записані у вигляді:

(3)

де m – маса кістяка автомобіля, кг;

m1 – маса керуючого колісного модуля, кг;

а – відстань від центра мас до передньої осі, м;

в – відстань від центра мас до задньої осі, м;

Y1 – сумарна бічна сила, що діє на передню вісь, Н;

Y2 – сумарна бічна сила, що діє на задню вісь, Н;

v – подовжня проекція вектора швидкості центра мас автомобіля, м/с;

u – поперечна проекція вектора швидкості центра мас автомобіля, м/с;

щ – поточне значення кутової швидкості кістяка автомобіля відносно центральної вертикальної осі, с-1;

и0 – початкове значення кута повороту ККМ, рад;

и – поточне значення кута повороту ККМ, рад;

с – винос керованого колеса, м;

h – коефіцієнт демпфірування по куту повороту керуючого колісного модуля, Н·м·с;

ч – приведений коефіцієнт жорсткості керуючого модуля, Нм;

І – момент інерції кістяка відносно центральної вертикальної осі, кгм2;

І1 – момент інерції ККМ відносно осі повороту приведеного колеса, кгм2.

У зв’язку зі складністю отримання залежності (2) аналітичним способом, було прийняте рішення про необхідність експериментального дослідження автомобільних шин з різним ступенем зносу протектора на спеціальному стенді.

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень по визначенню характеристик бічного відведення пневматичних шин легкового автомобіля. Досліджувались широко розповсюджені шини 175/70R13.

Для проведення експериментального дослідження характеристики бічного відведення автомобільного колеса був використаний стенд дослідницької лабораторії Автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету (рис. 4).

Рис. 4. Схема стенда:

1 – основа стенда; 2 – привод стенда; 3 – пристрій фіксації міжцентрової відстані; 4 – датчики сили; 5 – барабан; 6 – динамометр; 7 – навантажувальний гвинт; 8 – колесо з досліджуваною шиною; 9 – навантажувальна балка; 10 – опорна стійка; 11 – ПЕОМ; 12 – датчик частоти обертання колеса

У зв’язку з тим, що бічна сила визначена як функція 4-х параметрів (2), був розроблений план повного факторного експерименту другого порядку з чотирма факторами за методом Бокса та Уілсона. Модель експерименту передбачала вимірювання бічної сили при зміні таких вхідних параметрів: (рис. 5).

Рис. 5. Модель експерименту „чорний ящик”:

Gк – вертикальне навантаження на колесо, Н (кг);

Рw – тиск повітря в шині, МПа; д – кут бічного відведення, град.;

Дh – ступінь зносу протектора шини; Х – бічна сила, Н

В табл. 1. наведені інтервали змінювання факторів в експерименті.

Таблиця 1

Інтервали змінювання факторів

Фактори | Мінімум

(Хіmin) | Максимум

(Хіmax) | Нульовий

рівень | Додаткові

точки

Тиск повітря в шині, Рw, МПа | 0,16 | 0,22 | 0,19 | 0,23 | 0,15

Кут бічного відведення, д, град | 0,55 | 1,75 | 1,15 | 2,0 | 0,3

Ступінь зносу протектора, Дh | 0,15 | 0,85 | 0,5 | 1,0 | 0

Вертикальне навантаження на колесо, Gк, кг | 315 | 425 | 370 | 450 | 290

Після проведення експерименту та обробки даних було отримане рівняння регресії, яке характеризує бічне відведення шини:

де х1 , х2 , х3 , х4 – відповідно, кодовані значення тиску повітря в шині, кута відведення, ступеня зносу протектора і вертикального навантаження на колесо.

Проведений аналіз (перевірка коефіцієнтів регресії на значимість за критерієм Стьюдента, перевірка рівняння на адекватність за критерієм Фішера) дозволив отримати рівняння регресії в остаточному вигляді:

(4)

Аналіз рівняння (4) засвідчив, що знос протектора автомобільної пневматичної шини впливає на величину коефіцієнту k опору бічному відведенню (збільшує на 40 – 70%) і змінює характер впливу на цей коефіцієнт інших експлуатаційних факторів – тиску повітря в шині і вертикального навантаження на колесо. Результати розрахунку коефіцієнта k для окремих значень факторів і різниця у відсотках порівняно із номінальним значенням (для Gк = 405 кг, Рw = 0,20 МПа, Дh = 1,0) наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів опору відведенню

Вертикальне

навантаження

Gк , кг | Тиск

повітря

Рw , МПа | Коефіцієнт опору відведенню,

k, кН/рад

Ступінь зносу Дh = 1,0 | Ступінь зносу Дh = 0,5

1 | 2 | 3 | 4

405 | 0,14 | 31,3 (-4,86%) | 32,0 (-2,73%)

0,17 | 32,1 (-2,43%) | 36,6 (+11,2%)

0,20 | 32,9 | 41,0 (+24,6%)

0,23 | 33,7 (+2,43%) | 45,6 (+38,6%)

Продовження табл. 2

1 | 2 | 3 | 4

285 | 0,20 | 28,7 (-12,8%) | 36,9 (+12,2%)

370 | 31,7 (-3,65%) | 39,7 (+20,7%)

405 | 32,9 | 41,0 (+24,6%)

450 | 34,5 (+4,86%) | 42,6 (+29,5%)

У четвертому розділі виконано аналіз динамічних якостей легкового автомобіля в рамках розробленої математичної моделі (система рівнянь (3)).

Отримане в результаті лабораторного дослідження рівняння регресії (4) перетворене на залежність безрозмірного коефіцієнта опору бічному відведенню , який поєднує в собі функцію відклику (бічну силу) та два фактори (кут відведення та вертикальне навантаження), від інших двох факторів (зносу протектора і тиску повітря в шині). З використанням методу найменших квадратів та математичної програми Марlе ця залежність записана у вигляді:

(5)

Значення відображає лінійну частину залежності бічної сили від кута відведення, тобто .

Для врахування нелінійності функції в роботі використовується наступна апроксимація сил відведення:

(6)

де – коефіцієнти зчеплення коліс передньої й задньої осей;

– безрозмірні коефіцієнти опору бічному відведенню передньої й задньої осей (визначаються за формулою (5)).

У рівняннях математичної моделі приймалися параметри автомобіля ВАЗ-2107. Масові характеристики автомобіля розраховані для випадку повного навантаження. Коефіцієнти зчеплення для шин переднього і заднього мостів прийняті рівними ц = 0,75.

Аналіз КСР автомобіля за допомогою математичної моделі виконувався трьома методами: за допомогою визначення максимальної дійсної частини власних значень характеристичного рівняння (по спектру матриці Якобі), за допомогою критерія Рауса-Гурвіца (по визначникам Гурвіца) та методом чисельного інтегрування і аналізу фазових портретів системи. Програми для аналізу КСР автомобіля були реалізовані в середовищі Марlе (система чисельно-аналітичних обчислень).

Перші два методи (рис. 6 і 7) дозволяють (в різний спосіб) визначити критичну швидкість руху при заданих параметрах автомобіля і шин. Крім цього, в програмі розрахунку визначників Гурвіца також є можливість графічного відображення границь стійкості в просторі параметрів моделі. В роботі ці методи доповнюють і перевіряють один одного.

На рис. 6 наведений приклад визначення критичної швидкості прямолінійного руху автомобіля при тиску повітря в шинах передньої осі Рw1 = 0,17 МПа і задньої осі – Рw2 = 0,20 МПа в залежності від зносу протектора шин передньої осі (на задній осі – нові шини). При Дh1 = 1,0 критична швидкість складає 43,15 м/с, при Дh2 = 0,4 – 38,45 м/с (зменшується на 10,9 %). Зменшення тиску повітря в шинах передньої осі до Рw1 = 0,15 МПа (рис. 7) призводить до збільшення критичної швидкості до 39,4 м/с (на 3,5 %). Таким чином, встановлено, що збільшення ступеня зносу протектора шин передньої осі викликає зменшення критичної швидкості руху. Погіршення стійкості можна частково компенсувати регулюванням тиску повітря в шинах.

При прямолінійному русі автомобіля на нього діють різні збурення, які обумовлені інтенсивністю руху, властивостями дорожнього покриття і шин тощо. Беручи до уваги вимоги Правил дорожнього руху України щодо максимальної швидкості на автомагістралях, до математичної моделі була закладена постійна швидкість 130 км/год (36,11 м/с). Збурюючий вплив («ривок руля») був змодельований поворотом при t = 0 (t – час) передніх коліс автомобіля на кут 0,01 рад. Аналіз КСР автомобіля при дії збурюючого впливу виконано за допомогою фазових портретів змінних щ і та і (рис. 8, 9).

У випадку, коли на автомобіль встановлені нові шини і тиск повітря в них складає Рw1 = 0,17 МПа і Рw2 = 0,20 МПа (рис. 8), після збурення кутова швидкість центру мас щ, кут повороту ККМ і швидкість зміни кута повороту ККМ з часом наближаються до нуля. Це означає, що автомобіль здатний сам по собі, в силу властивих йому характеристик, відображених у рівняннях руху, протидіяти зовнішнім збуренням і прагнути до прямолінійного руху. Тобто рух автомобіля в цьому випадку є стійким.

Рис. 8. Фазові портрети змінних щ і та і

для автомобіля з новими шинами

Рис. 9. Фазові портрети змінних щ і та і для автомобіля

з 70 % зносу передніх шин (Дh1 = 0,3) і новими задніми шинами (Дh2 = 1,0)

У випадку, коли на передню вісь автомобіля встановлені шини з Дh1 = 0,3 (рис. 9), після початкового збурення починаються коливання колісного модуля. Амплітуда коливань починаючи з = 0,004 рад поступово збільшується. Аналогічна картина відображається на фазовому портреті для кутової швидкості центра мас автомобіля. Тобто автомобіль втрачає стійкість руху.

Також в роботі досліджено криволінійний рух автомобіля. Побудовано фазові траєкторії центра мас автомобіля і фазові портрети змінних u і та і при заданих: швидкості руху, тиску повітря в шинах і куті повороту керованих коліс (для різних випадків зносу протектора шин передньої осі). Нижче представлені фазові портрети для наступних значень параметрів: v = 16 м/с; Рw1 = 0,17 МПа; Рw2 = 0,17 МПа; и = 0,5 рад. Розглянуто варіант зі встановленням нових шин на обидві осі автомобіля (рис. 10) і варіант, коли шини передньої осі мають ступінь зносу Дh1 = 0,3, шини задньої осі – нові (рис. 11).

Характери фазових портретів, у випадку, коли на обидві осі встановлені нові шини, говорять про стійкі режими руху. При встановленні на передню вісь шин з Дh1 = 0,3 автомобіль (при відсутності корегуючих дій водія) втрачає стійкість руху.

а б в

Рис. 10. Траєкторія руху центра мас в площині дороги (а), фазові портрети

змінних u і щ (б) та і (в) для автомобіля з новими шинами (Дh1 = Дh2 = 1,0)

а б в

Рис. 11. Траєкторія руху центра мас в площині дороги (а), фазові портрети

змінних u і щ (б) та і (в) при Дh1 = 0,3; Дh2 = 1,0

Для аналізу КСР автомобіля за допомогою критерію Рауса-Гурвіца була розроблена програма, яка надає можливість побудувати діаграми, за якими визначаються умови стійкості в залежності від ступеню зносу протектора шин передньої і задньої осі (рис. 12, а). Аналогічні діаграми можна отримати для величин тиску повітря в шинах передньої і задньої осі (рис. 12, б).

Діаграма на рис. 12, а при заданих значеннях тиску дозволяє вибрати оптимальне розташування шин по осях. Наприклад, для стійкого режиму руху при швидкості v ? 40 м/с на передню вісь можна встановити шини з Дh1 = 0,4, на задню – з Дh2 = 0,8.

Використання наведених вище діаграм є найбільш зручною реалізацією рекомендацій щодо практичного застосування результатів досліджень. Після визначення параметрів шин, які встановлені на автомобілі, ці параметри закладаються в програму. Аналіз отриманих за допомогою програми діаграм дозволяє намітити напрямок покращання КСР автомобіля (наприклад, зміна тиску повітря в шинах однієї осі або перестановка шин) і перевірити вірність обраного рішення контрольним розрахунком.

а б

Рис. 12. Діаграми нульових значень визначників Гурвіца

при швидкості 40 м/с в залежності від

а) ступеня зносу шин передньої і задньої осі (Рw1 = 0,17 МПа; Рw2 = 0,20 МПа)

б) тиску повітря в шинах передньої і задньої осі (нові шини на обох осях)

У п’ятому розділі проведена перевірка адекватності розробленої математичної моделі легкового автомобіля та вихідних положень, покладених в основу розрахунку показників КСР, дійсним результатам дорожніх випробувань.

Метою дорожніх випробувань була перевірка теоретичних даних про вплив зносу протектора шин автомобіля на курсову стійкість його руху, а зокрема на величину критичної швидкості при русі по траєкторії «пряма».

Об’єктом експериментального дослідження було обрано легковий автомобіль ВАЗ-2107, який обладнаний необхідними пристроями і датчиками: прилад «п’яте колесо», лічильник корегуючих впливів на рульове колесо тощо.

При оцінці випробувань був застосований органолептичний метод визначення показників КСР за вимогами ДСТУ 3310–96.

Використовувались чотири нові шини 175/70R13 і дві шини зі зносом 70% (Дh = 0,3) тієї ж моделі. Випробування проводились для різних випадків розташування шин по осях автомобіля і для різних значень тиску повітря в шинах.

Планом випробувань було передбачено виконання визначеної кількість заїздів в одному напрямку (не менше трьох залікових) при встановлених параметрах автомобіля і шин. Заїзди проводились до досягнення швидкостей, які відповідають початку появи курсових коливань автомобіля, тобто «рискання» по дорозі. Цей момент визначався водієм, відповідна швидкість і кількість корегуючих дій в даному заїзді фіксувалися в протоколі випробувань.

Співставлення результатів теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень (розходження 7,5 – 10 %) дозволило зробити висновок про адекватність розробленої математичної моделі легкового автомобіля для визначення показників КСР.

У додатках представлені документи про використання результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача, що пов`язана з прогнозуванням та покращанням показників курсової стійкості руху легкових автомобілів шляхом раціонального розташування шин зі зносом протектора та регулювання в них внутрішнього тиску повітря.

2. Визначений та обґрунтований критерій зміни технічного стану шин – рівномірний знос протектора. Вплив зносу протектора на параметри курсової стійкості руху врахований в математичній моделі через характеристику бічного відведення шини.

3. Розроблена математична модель автомобіля з керуючим колісним модулем, яка враховує величину зносу протектора при визначенні бічних реакцій, що дозволяє визначити параметри руху автомобіля й установити момент втрати курсової стійкості.

4. Проведений експеримент для визначення характеристик бічного відведення шин з різним ступенем зносу протектора. Експериментальні лабораторні дослідження були виконані на спеціальному стенді для випробування шин автомобіля, у якому враховані вимоги ДСТУ 4754-97. В результаті випробувань шин легкових автомобілів типу 175/70 R13 отримана залежність бічного відведення від зносу протектора, тиску повітря в шині та вертикального навантаження на колесо. Встановлено, що збільшення зносу протектора від Дh = 1,0 (нова шина) до Дh = 0,2 (80% зносу) за інших сталих умов викликає збільшення коефіцієнта опору бічному відведенню на 40 – 70 %.

5. За розробленою математичною моделлю запропонована методика прогнозування курсової стійкості руху з урахуванням зносу протектора шин за допомогою визначення максимальної дійсної частини власних значень матриці Якобі, критерія Рауса-Гурвіца та методу чисельного інтегрування системи диференційних рівнянь руху з побудовою фазових портретів системи. Співставлення результатів, отриманих різними методами, підтвердило їх достовірність.

6. Досліджено вплив характеристик шин з різним ступенем зносу протектора на показники курсової стійкості руху автомобіля. Виявлено, що різні варіанти розташування шин зі зносом протектора по осях автомобіля впливають на величину критичної швидкості руху. Так, встановлення на передню вісь автомобіля шин зі ступінню зносу Дh1 = 0,4 призводить до зменшення критичної швидкості руху на 10,9 %. Корегуванням тиску повітря в шинах можна частково виправити негативний вплив зносу протектора на величину критичної швидкості (підвищення на 3,5 % при зменшенні тиску на 0,02 МПа).

7. Проведені дорожні випробування підтверджують адекватність розробленої математичної моделі і методики. Розходження значень критичних швидкостей руху автомобіля, які були отримані під час експериментальних та теоретичних досліджень, склало 7,5 – 10%. Результати дорожніх випробувань підтвердили можливість покращання показників курсової стійкості руху автомобіля за рахунок оптимального розташування шин по осях і підтримування необхідного значення тиску повітря в шинах.

8. Розроблені рекомендації щодо практичного застосування досліджень з метою підвищення показників курсової стійкості руху автомобіля з колесами, шини яких мають знос протектора. Рекомендації представляються у вигляді діаграм, які отримуються при використанні програми аналізу математичної моделі і введенні в модель параметрів автомобіля і шин. Так, для автомобіля ВАЗ_стійкий рух до швидкості 40 м/с при рекомендованому ДСТУ тиску повітря в шинах може підтримуватись при співвідношеннях (наприклад): Дh2 ,8 і Дh1 ? 0,3; Дh2 = 0,9 і Дh1 ? 0,44; Дh2 = 1,0 і Дh1 ? 0,61.

9. Матеріали дисертаційної роботи впроваджені ДП «ДЕРЖАВТО-ТРАНСНДІПРОЕКТ» та відділенням автотехнічних експертиз і товарознавчої діяльності науково-дослідницького експертно-криміналістичного центру при УМВС України в Донецькій області.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті в наукових фахових виданнях

1. Петров А.В. К вопросу о критериях оценки неоднородности автомобильных шин // Системні методи керування, технології та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. – К.: НТУ, ТАУ. – 2002. – Вип. 15. – С. 178 – 180.

2. Петров О.В. До питання про вплив зношення протектора пневматичних шин на стійкість руху автомобіля з керуючим колісним модулем // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру. – 2004. – № 7. – С. 147 – 151.

3. Макаров В.А., Петров О.В., Костенко А.В. Математична модель автомобіля з керуючим колісним модулем та її застосування для оцінки впливу жорсткісної неоднорідності шин на стійкість руху // Вісник Північного наукового центру ТАУ. – 2003. – Випуск 6. – С. 150 – 152.

4. Макаров В.А., Костенко А.В., Петров О.В. До вибору математичної моделі для дослідження курсової стійкості руху автомобіля з урахуванням жорсткісної неоднорідності шин // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. – 2004. – №1 (1). – С. 33 – 35.

5. Костенко А.В., Петров О.В. До питання визначення відведення колеса як жорсткісної характеристики автомобільної шини // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. – 2004. – №2 (2). – С. 10 – 14.

6. Сахно В.П., Вербицький В.Г., Макаров В.А., Костенко А.В., Петров О.В. Вплив на керованість двовісного автомобіля асиметричних жорсткісних характеристик коліс // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ. – 2005. – Вип. 8. – С. 159 – 161.

7. Макаров В.А., Костенко А.В., Петров О.В., Кулієв Р.А. Лабораторія для дослідження властивостей пневматичних автомобільних шин // В сб. трудов Вісник ДонНАСА. Випуск 2005. – 7(55). – С. 101 – 104.

8. Макаров В.А., Петров О.В., Костенко А.В. До питання покращення стійкості руху автомобіля зі зношеним протектором шин за рахунок корегування в них внутрішнього тиску повітря // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. – 2006. – №1. – С. 15 – 22.

9. Макаров В.А., Костенко А.В., Петров О.В. До питання про забезпечення стійкості руху автомобіля шляхом використання шин з перемінною або різною жорсткістю// Управління проектами, системний аналіз і логістика. Науковий журнал. – 2005. – №2 .– С. 83 – 87.

10. Макаров В.А., Дугельний В.М., Петров О.В., Поляниченко Д.І. Експериментальне дослідження характеристики бічного відведення автомобільного колеса // Автошляховик України.– 2007.– № 4. – С. 7 – 13.

11. Сахно В.П., Вербицький В.Г., Костенко А.В., Петров О.В. Розробка математичної моделі автомобіля для дослідження курсової стійкості руху з урахуванням жорсткісної неоднорідності шин // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Центрального наукового центру ТАУ. – 2007. – Вип. 10. – С. 138 – 141.

12. Макаров В.А., Омельченко А.А., Костенко А.В., Куплинов А.В., Петров А.В., Сакно О.П. Оборудование для экспериментального исследования курсовой устойчивости движения автомобиля // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. – 2007. – №3. – С. 48 – 57.

Тези доповідей на наукових конференціях

1. Петров О.В. Врахування стабілізації керованих коліс при моделюванні руху автомобіля // 60 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К.: НТУ, 2004. – С. 26.

2. Петров О.В. Вплив типу та конструкції шини на показники курсової стійкості автомобіля // 62 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К.: НТУ, 2006. – С. 34.

3. Петров О.В. Вплив на керованість двовісного автомобіля асиметричних жорсткісних характеристик коліс // 63 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К.: НТУ, 2007. – С. 39.

АНОТАЦІЯ

Петров О.В. Поліпшення показників курсової стійкості руху транспортних засобів з урахуванням технічного стану їх шин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 – Автомобілі та трактори. – Національний транспортний університет, Київ, 2008.

В дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача, що пов`язана з прогнозуванням та покращанням показників курсової стійкості руху легкових автомобілів шляхом раціонального розташування шин зі зносом протектора та регулювання в них внутрішнього тиску повітря.

Для визначення показників курсової стійкості руху легкового автомобіля складена система диференціальних рівнянь, що описує модель руху легкового автомобіля з урахуванням параметрів керуючого колісного модуля. Система дозволяє дослідити вплив на курсову стійкість руху ступеня зносу протектора шин, встановлених на автомобіль, та тиску повітря в них.

Експериментально визначені характеристики бічного відведення шин, що були використані в розробленій математичній моделі. Проведені дорожні випробування автомобіля, які підтвердили результати теоретичних досліджень.

Встановлено, що параметри курсової стійкості тісно пов`язані з пружними властивостями шин, які мають знос протектора.

Раціональне розташування шин з різним ступенем зносу протектора по осях автомобіля і регулювання тиску повітря в шинах збільшують критичну швидкість руху автомобіля.

Результати досліджень по прогнозуванню показників курсової стійкості руху легкових автомобілів прийнято до впровадження ДП «ДЕРЖАВТОТРАНСНДІПРОЕКТ» та відділенням автотехнічних експертиз і товарознавчої діяльності науково-дослідницького експертно-криміналістичного центру при УМВС України в Донецькій області.

Ключові слова: автомобіль легковий, шина, стійкість руху курсова, знос протектора, тиск повітря внутрішній, портрет фазовий, швидкість критична.

АННОТАЦИЯ

Петров О.В. Улучшение показателей курсовой устойчивости движения транспортных средств с учетом технического состояния их шин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 – Автомобили и тракторы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2008.

В диссертационной работе решена научно-техническая задача, которая связана с прогнозированием и улучшением показателей курсовой устойчивости движения