CC BY
48
УДК 629.113
ДЕЦЕНТРАЛИЗАЦИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ШИНАХ КАК НАПРАВЛЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРОХОДИМОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.Ю. Усиков
Омский автобронетанковый инженерный институт
В статье актуализируется проблема повышения проходимости автомобилей многоцелевого назначения. Обсуждается перспективное направление решения этой проблемы путём децентрализации давления воздуха в шинах. Предлагается уточнённое математическое описание качения деформируемого колеса и техническое решение по децентрализации процесса регулирования воздуха в шинах.
Ключевые слова: автомобили многоцелевого назначения, проходимость, деформируемая опорная поверхность, колёсный движитель, система регулирования давления воздуха в шинах.
Автомобили являются самым массовым транспортным средством, широко используемым как в экономическом секторе страны, так и в федеральных государственных органах, осуществляющих свою деятельность в интересах обороны и безопасности государства, обеспечения законности и правопорядка. Значительную часть парка автомобильной техники составляют полноприводные автомобили различных модификаций - автомобили многоцелевого назначения (АМН).
АМН различной грузоподъемности предназначены для эксплуатации по дорогам всех типов, а также вне дорог при выполнении специфических задач, определяемых сферой деятельности государственных органов исполнительной власти и организаций экономического сектора страны. Немаловажное значение в определении эффективности использования АМН в различных сферах человеческой деятельности имеет их проходимость. При этом многими учёными уделяется значительное внимание изучению различных факторов, характеризующих автомобиль как транспортное средство и влияющих на способность и возможность его движения по дорогам в ухудшенных дорожных условиях и вне дорог, преодолевать различные препятствия естественного и искусственного происхождения.
Ввиду того, что практически невозможно изменить свойства опорной поверхности, определяемые природно-климатическими факторами, эффективность эксплуатации АМН определяется именно особенностями конструкции и возможностью максимального использования технических параметров. Так, конструкция движителя оказывает значительное влияние на определение проходимости АМН по мягким грунтам. Главной составной частью колёсного движителя является шина, в большей степени определяющая его проходимость на основании конструктивных и геометрических параметров. Немалое влияние на эксплуатационные свойства автомобиля оказывает и конструкция протектора (его конфигурация и размер рисунка).
Движение АМН по деформируемой опорной поверхности происходит с проскальзыванием колёс по грунту, что сопровождается сдвигом верхнего слоя в зоне контакта с частичным или полным разрушением грунта. При отсутствии уплотнения грунта опорной поверхности под колёсами от воздействия вертикальной нагрузки, происходит значительное снижение тяговой реакции грунта, углубление колёс в грунт и возникновение буксования, что характерно для шин, не имеющих достаточной площади контакта с опорной поверхностью, т. е. с номинальным давлением в шине.
При движении АМН со значительно сниженным внутренним давлением, под действием вертикальной нагрузки происходит уплотнение грунта, что ведёт к уменьшению глубины образуемой колеи и увеличению тяговой реакции грунта. В связи с этим при движении АМН по опорным поверхностям с низкой несущей способностью целесообразно производить понижение давления воздуха в шинах до минимально допустимого для конкретного типа грунта. Это способствует уменьшению сопротивления движению, повышению сцепных свойств колеса и конструктивно предусмотрено применением централизованной системы регулирования давления воздуха в шинах (СРДВШ), позволяющей устанавливать оптимальное давление в шинах всех колёс в зависимости от дорожных условий.
Исключительность значения процесса регулирования давления воздуха в шинах АМН и его влияния на опорную проходимость признаётся многими авторами, в том числе Агейкиным Я.С., Аксеновым П.В., Антоновым А.С., Антоновым Д.А., Васильчен-ковым В.Ф., Гришкевичем А.И., Литвиновым
A.С., Пирковским Ю.В., Платоновым В.Ф., Смирновым Г.А., Фаробиным Я.Е., Чистовым М.П., Чудаковым Е.А., Яценко Н.Н.
Вместе с тем, в теории автомобиля проходимость рассматривается как одно из технико-эксплуатационных свойств. За последние годы эта компонента теории автомобиля сформировалась в самостоятельную науку о проходимости автомобиля, но при этом сохраняется проблематика решения ряда задач. Актуальной проблемой остается формирование единой законченной методики оценки проходимости колёсных транспортных средств, а также алгоритмов выбора их основных конструктивных параметров.
Изучению аспектов опорной проходимости колёсных транспортных средств (в том числе и АМН), а также связанных с ними вопросов теории качения одиночного колёсного движителя по деформируемой опорной поверхности посвящено множество трудов отечественных и зарубежных ученых. Особый интерес представляют работы: Бабкова
B.Ф., Белякова В.В., Бируля А.И., Балабина И.В., Барахтанова Л.В., Бахмутова С.В., Белякова В.В., Вольской Н.С., Вирабова Р.В., Добромирова В.Н., Зимелева Г.В., Кацыгина В.В., Комарова В.А., Кошарного Н.Ф.,
Келлера А.В., Ларина В.В., Летошнева М.Н., Наумова В.Н., Пирковского Ю.В., Платонова В.Ф., Полетаева А.Ф., Саакяна С.С., Смирнова Г.А., Чистова М.П., Чичекина И.В., Чуда-кова Е.А., Шухмана С.Б., Bekker М., Wong J.Y., Reece A.R., Schuring D. и многих других.
Анализ результатов научных изысканий и работ вышеназванных авторов по исследованию опорной проходимости АМН, а также методов оценки её показателей, позволяет сделать ряд выводов:
1. Решение комплексной задачи, связанной с проблематикой обеспечения оптимального уровня и повышения проходимости АМН, обусловливает необходимость совершенствования методики расчёта показателей опорной проходимости на основе теории качения одиночного колеса, теории автомобиля и основных законах механики грунтов.
2. Разработанные к сегодняшнему дню математические модели взаимодействия одиночного колёсного движителя с деформируемой опорной поверхностью не обладают логической завершённостью, необходимой точностью и достаточной универсальностью, позволяющей легко реализовать их при практическом моделировании процесса. И это требует проведения дальнейших исследований.
3. Авторами отмечается, что с изменением давления воздуха в шинах и каждым новым проходом колёсного движителя по деформируемой опорной поверхности, физико-механические характеристики грунта, толщина деформируемого слоя грунта изменяются.
4. Несмотря на общепризнанное огромное значение изменения давления воздуха в шинах при движении в условиях бездорожья, очень мало внимания уделяется необходимости установления оптимального давления воздуха в каждом колёсном движителе в зависимости от типа деформируемой опорной поверхности, нагрузки, приходящейся на колеса и условий взаимодействия деформируемого колесного движителя с грунтом.
АМН имеют одинарную ошиновку колёс, следствием чего является одинаковая ширина колеи всех осей и при совершении прямолинейного движения каждый последующий колесный движитель оси движется вслед предыдущему. Следствием движения каждого предыдущего колёсного движителя является деформация грунта опорной поверхности и изменение его физико-
механических свойств, естественно и изменение всех показателей взаимодействия колёсного движителя с деформируемой опорной поверхностью.
В связи с этим представляется необходимым применение децентрализованного регулирования давления воздуха в шинах АМН, т. е. установление оптимального давления воздуха в колёсном движителе каждой оси в зависимости от типа и состояния деформируемой опорной поверхности, по которой осуществляется движение, а также от нагрузки, приходящейся на них.
Математическое моделирование процесса взаимодействия одиночного колёсного движителя, а именно деформируемого колеса, с деформируемым грунтовым покрытием представляется структурной частью математической модели взаимодействия с деформи-
Предлагается при построении модели, произвести выбор новой расчётной схемы (рис. 1) и исходной зависимости сопротивления грунта вертикальным нагрузкам, изменяющегося в соответствии с глубиной погружения колеса в грунт с поправкой на буксование, в определении действующих в контакте нормальной и тангенциальной составляющих элементарной равнодействующей через их соотношение по закону Кулона и выражением любой пары составляющих элементарных сил через указанные соотношения и принятую исходную зависимость.
Исходная зависимость, уточняющая общеизвестное уравнение М.Н. Летошнева [1] по определению вертикального давления в контакте колеса с грунтом q через коэффициент кц снижения нормального удельного сопротивления грунта смятию от скольжения:
Ч = кЧРа н + ^ -к 0 (1)
|_ НР
Условие равновесия действующих на колесо вертикальных сил и реакций в контакте с грунтом можно записать в виде
Ок = , Н, Б'б ) + , Н, Б'б ) = Я; (2)
Если считать известными пробуксовку Бб и нагрузку на колесо Ок, то для определения оставшихся двух неизвестных параметров (Н и 1ш) необходимо ещё одно уравнение, которое можно получить из условия равновесия плоской зоны контакта:
Я;п , Н, Я'е) = Сш
(3)
Значения текущей радиальной жёсткости шин в функции давления воздуха в них (рв, МПа) можно получить из уравнения регрессии [2]:
сш = (к2(к3 + Рв),
(4)
Рис. 1. Расчетная схема качения эластичного колеса по деформируемому грунту: Сш - радиальная жесткость шины, Н ■ м-1 .
руемой опорной поверхностью всего колёсного движителя.
где Кг, К2 и К3 — коэффициенты уравнения регрессии.
Уравнения (2) и (3) позволяют по вертикальной нагрузке на колесо определить глубину образуемой им колеи (Н) и прогиб шины (2и) с учётом влияния на них продольных сил (через пробуксовку колёс) и давления воздуха в шинах.
Для определения взаимосвязи между кинематическими и силовыми параметрами при движении ведущего эластичного колеса
целесообразно использовать зависимость радиуса качения от передаваемого колесом момента:
Гк = По -ЯМк .
(5)
где: По — радиус свободного качения колеса; Я — коэффициент тангенциальной эластичности.
Зависимость реализованного колесом коэффициента сцепления от подводимого к нему крутящего момента для установившегося движения определяется выражением
9 =
Мк
~/о,
(6)
где /о — коэффициент сопротивления качению.
Если в выражении (5) Мк представить через Гк и Я, а радиус качения Гк , в свою очередь через буксование
Гк= Гко(1-8),
(7)
то приходим к аналитической зависимости коэффициента сцепления от буксования эластичного колеса до достижения им максимального значения коэффициента сцепления, реализуемого в данных условиях,
9 =
8
ЯЯ2 (1 -8)
- /о ,
(8)
Эта зависимость в координатах <=/(8) представляет собой гиперболическую функцию. Полученная зависимость позволяет определить значение так называемого критического буксования, соответствующего реализации максимального в данных условиях коэффициента сцепления.
В целом математическая модель колеса может быть представлена следующей системой уравнений:
N = К/п +шк-Ушг ■ (Р/„ + Рк)2 +Шк ■ Рк ■ Гк Мк = М/п + уш-Р + Рк )2 + Рктк
М/п = /п'К2'Гкс '
Г = Г — % •
кс с ш
(9)
Коэффициент буксования является одним из важнейших кинематических параметров, характеризующих процесс качения колеса. Начальным моментом буксования примем нейтральный режим, когда деформация шины под действием подводимого крутящего момента Мк компенсируется продольной
8 = к5Яо-(Мк - М /п), (10)
где кб — функция коррекции коэффициента тангенциальной эластичности системы шина - опорная поверхность.
Функция коррекции коэффициента тангенциальной эластичности системы шина -опорная поверхность можно представить как произведение частных функций коррекции
к8= к3& ' кфш ' к$> ' к£д ' к8и ' к)Мк ' к& (11)
где: кръ, — частная функция коррекции коэффициента тангенциальной эластичности, учитывающая изменение воздуха в шине р^; кгп — частная функция коррекции коэффициента тангенциальной эластичности, учитывающая номер прохода колеса по грунту.
Коэффициент сопротивления качению можно представить суммой двух составляющих:
/ = Ш + /. > (12)
гдеШ - коэффициент сопротивления качению шины; / - коэффициент сопротивления деформации грунта.
Коэффициент сопротивления качению является одной из важнейших характеристик шины и зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных параметров. Их влияние так велико, что не позволяет использовать величину/в качестве постоянной технической характеристики шины. Влияние различных параметров целесообразно выделить в специальные функции. Они могут быть учтены функциональными сомножителями в виде кш, кг. И тогда выражение (12) можно представить в следующем виде:
/ = к ■ / + к / ,
ш J ош г ^ ог
(13)
где кш - функция коррекции коэффициента сопротивления качению шины; кг - функция коррекции коэффициента сопротивления деформации грунта; /ош - коэффициент сопротивления качению шины в ведомом режиме с номинальной нагрузкой и давлением воздуха в шине; /ог - коэффициент сопротивления деформации грунта в ведомом режиме с номинальной нагрузкой и давлением воздуха в шине.
Функции коррекции коэффициентов сопротивления качению шины кш и деформации грунта кг могут быть представлены как произведение частных функций коррекции: к = к о ■к ■к ■к ■к ■к „л , (14)
ш шш шpw шу шц ши шмк 5 V /
где кшнг - частная функция коррекции коэффициента сопротивления качению, учитывающая изменение нагрузки Яг; кшр™ - частная функция коррекции коэффициента сопротивления качению, учитывающая изменение воздуха в шине р„.
кг = кгЕг ■ кгр„ ■ кгу ' Ки ' кгМк ' кгп (15)
где кя - частная функция коррекции коэффициента сопротивления деформации грунта, учитывающая изменение нагрузки Яг; кгрм, -частная функция коррекции коэффициента сопротивления деформации грунта, учитывающая изменение воздуха в шине р№.
Коэффициенты сопротивления качению шины /ош и деформации грунта /ог в ведомом режиме с номинальной нагрузкой и давлением воздуха в шине, а также частные функции
коррекции коэффициентов сопротивления качению шины кш и деформации грунта кг были определены на основе анализа литературных источников и экспериментальных исследований (рис. 2) взаимодействия колесных движителей АМН КАМАЗ с различными типами опорных поверхностей при различных режимах нагружения. Анализ результатов экспериментального исследования, позволил выявить характер влияния на коэффициент сопротивления качению нормальной нагрузки и давления воздуха (рис. 3, 4, 5) и установить значения соответствующих частных функций коррекции:
кшК = + ВЯ2 ■ Я
кшт 'Рп
(16) (17)
2
В
Рис. 2. Фрагменты испытаний АМН КАМАЗ в различных дорожных условиях
Полученное математическое описание процесса прямолинейного качения эластичного колеса по деформируемому грунту при известных его нагрузочных и размерных параметрах, показателях жесткостных характеристик и характеристик протектора его эластичной шины, а также механических параметрах грунта позволяет расчётным путем определять все показатели характеристик
этого качения, например, в функции буксования, а также других параметров колеса, в том числе с учётом нагрузки и давления воздуха в шинах.
Для обеспечения децентрализации давления воздуха в шинах предлагается решение по совершенствованию СРДВШ АМН, представленное на рис. 6 [3].
Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления качению от нормальной нагрузки и давления воздуха
Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления деформации грунта от нормальной нагрузки
и давления воздуха
■
Рис. 5. Зависимость коэффициентов сопротивления деформации грунта и сцепления от количества проходов по грунту
Рис. 6. Схема предлагаемой конструкции системы регулирования давления воздуха в шинах:
1 - компрессор, 2 - пневматический баллон, 3 - датчик давления воздуха, 4 - регуляторы давления по числу осей; 5 - электромагнитные клапаны управления давлением; 6 - электромагнитные клапаны выпуска воздуха по числу осей; 7 - эжекторы по числу осей; 8 - колёсные клапаны; 9 - трубопроводы и шланги; 10 - электронный блок управления;
11 - электрические цепи
Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить проходимость АМН путём оперативной адаптации колёсного движителя к определённому типу деформируемой опорной поверхности в зависимости от нагрузки приходящейся на колеса каждой оси АМН.
В случае выхода из строя электронной системы управления работа системы регулирования давления воздуха в шинах осуществ-
ляется как обычной системы (в режиме неав-тематического управления).
Применение предлагаемой системы регулирования давления воздуха в шинах позволяет эффективно регулировать давление воздуха в зависимости от нагрузки, приходящейся на них, что существенно повышает подвижность колесных машин при движении по деформируемой опорной поверхности и сокращает расход топлива.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Летошев М.Н. Взаимодействие конной повозки и дороги // НКПС. - М-Л., 1929.
2. Чистов М.П., Коваленко А.Н. Расчётное определение некоторых характеристик автомобильных шин. М., 1984. - 12 с. библиогр. 3 назв.-Деп. в НИИавтопром 14.12.84 г., №1127ап-84ДЕП.
3. Патент 126992 Российская Федерация, МПК7 В60С 23/00. Система регулирования давления воздуха в шинах / А.В. Келлер, В.Ю. Усиков: заявитель и патентообладатель В.Ю. Усиков -№ 2012139408/11; заявл. 13.09.2012; опубл. 20.04.2013, Бюл. № 11. - 2 с.
Усиков Виталий Юрьевич - преподаватель кафедры эксплуатации Статья поступила
бронетанковой и автомобильной техники Омского автобронетанкового в редакцию 21 мая
2014 г
инженерного института 2014
© В.Ю. Усиков, 2014
Открытия и изобретения
В лаборатории на базе МИСиСа учёные работают над превращением
алюминия в сталь
В 2011 году главе группы учёных удалось получить финансирование в сумме порядка ста пятидесяти миллионов рублей, что позволило оснастить лабораторию максимально современными устройствами. Около ста миллионов ушло на приобретение аппаратуры, однако данное вложение позволяет МИСиСу составить достойную конкуренцию ведущим центрам мировой науки. Исследователи объясняют, что цель, поставленная перед ними, - создание металла на основе алюминия, обладающего небольшой молекулярной массой, который, однако, по своей прочности будет напоминать сталь. Идеальные планы включают такое развитие событий, при котором группе удастся достигнуть показателей прочности, в несколько раз превышающих показатели стали. Помимо отечественного всего лишь один научный центр в мире, расположенный в японской Цукубе, может похвастаться достойными разработками, достигнутыми в данной области.
Принцип работы технологии, практикуемой в МИСиСе, заключается в применении двух способов создания особых композитов. Первый из них - это напыление металла на поверхность нанотрубок, второй - процесс создания особой ленты, по своему виду напоминающей алюминиевую, внутри которой находятся наночастицы, делающие структуру более прочной. Материалы, получаемые по любому их описанных способов, оказываются в пятьдесят раз плотнее, чем сталь. То есть применение на практике этих изобретений возможно путём добавления небольшого количества соединения в уже готовый образец. Этого будет достаточно для повышения прочности конечного продукта.
Лаборатория планирует получить очередной грант в шестьдесят миллионов рублей. Руководитель группы заявляет, что ввиду максимальных вложений на первоначальном этапе сейчас дотации будут распределяться на сопутствующие процессу разработки расходные материалы.
Ожидаемое внедрение инновации в промышленность позволит увеличить грузоподъёмность техники вкупе с уменьшением её собственной массы и требуемых топливных затрат. К сожалению, стоимость технологии остаётся крайне высокой, но учёные обещают снизить финансовую составляющую вопроса ко времени предполагаемого выхода на масштабы промышленного производства.
Агентство по инновациям и развитию. - URL: http://www.mnoros.ru/news/regions/14/08/v-laboratorii-na-baze-misisa-uchenye-rabotayut-nad-prevrashcheniem-alyuminiya-v-s
