Исследование базовых характеристик шин сверхнизкого давления Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.113

Л.В. Барахтанов1, В.И. Котляренко2, С.Е. Манянин3, И.А. Соколов3

ИССЛЕДОВАНИЕ БАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШИН СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1,

МГТУ (МАМИ)2,

3

ООО «Трансмаш», Нижний Новгород

Представлено описание последовательности расчетного исследования базовых характеристик шин сверхнизкого давления методом конечных элементов. Приведено сопоставление результатов расчетных и натурных экспериментов при различных уровнях внутреннего давления воздуха в шине.

Ключевые слова: шина сверхнизкого давления, метод конечных элементов, нагрузочные характеристики.

Для определения основных характеристик наиболее распространенных шин сверхнизкого давления были проведены исследования полноразмерных натурных образцов шин: 1300х600-533 «Трэкол», 52,2х25,5-24 ЬТ модели Я-671 «Арктиктранс» в камерном и бескамерном исполнениях и разным вылетом диска (ЯШЗ), 49х23,5-21 ЬТ модели «Авторос» и 38х18,00-16 модели «Кайман».

Исследования проводились по «Единой методике испытаний и оценки тракторных шин в лабораторных и полевых условиях», разработанной ОАО «ФИИЦ М» (г. Чехов).

Согласно программе исследования проводились при рабочих внутренних давлениях воздуха в шинах от 0,01 МПа до 0,07 МПа в соответствии с нагрузочными рядами, рекомендованными заводами-изготовителями, а также предельными нагрузками до потери шиной устойчивости. Исследования были проведены на универсальном функциональном стенде СИБ-1М для испытаний шин в ОАО «ФИИЦ М».

При движении ТС шина претерпевает сложные деформации, изменяющие ее первоначальную форму и размеры отдельных элементов. При этом максимальные деформации соответствуют участкам шины, находящимся в зоне контакта с опорной поверхностью. Основной нагрузкой воспринимаемой шиной является нормальная нагрузка, приводящая к образованию радиального прогиба шины.

Радиальный (нормальный) прогиб шины является одной из важнейших характеристик, обусловливающий мембранные и изгибные напряжения, определяющие ее работоспособность. На основании зависимости нормального прогиба от нормальной нагрузки (нагрузочной характеристики) определяются несущая способность шины и ее жесткость или эластичность. Чрезмерное увеличение прогиба приводит к повышению напряжения в материале шины, повышенному теплообразованию, снижению усталостной прочности и долговечности, а также к увеличению сопротивления качению шины. Для практических расчетов необходимо знать зависимость между нормальным прогибом шины и ее конструктивными и эксплуатационными параметрами.

Исследования нагрузочных характеристик шин от нормальной нагрузки проводились на твердой опорной поверхности рабочего стола стенда СИБ-1М. Оценивались прогиб шины И2, коэффициент радиальной жесткости шин С2 и коэффициент поглощения энергии в шине . Зависимости радиального прогиба шин от нормальной нагрузки при различных давлениях воздуха в шинах приведены на рис. 1 и 2.

Зависимость нормального прогиба Ь2 от радиальной нагрузки Ок носит нелинейный характер, однако в зоне рабочих нагрузок эта зависимость достаточно линейна, и в этих об-

© Барахтанов Л.В., Котляренко В.И., Манянин С.Е., Соколов И.А., 2012.

ластях жесткость шин мало зависит от нагрузки. Зависимость нормальной жесткости от давления воздуха в шине возрастает с увеличением давления практически в прямой пропорции.

3000 6000 9000 12000 15000 Н

Рис. 1. Нагрузочная характеристика шины Я-671 в камерном исполнении

0 5000 10000 15000 С., Н

Рис. 2. Нагрузочная характеристика шины Я-671 в бескамерном исполнении

Для расчета нагрузочных характеристик применяются эмпирические и полуэмпирические зависимости, позволяющие оценить нормальный прогиб в зависимости от нормальной нагрузки и внутреннего давления воздуха в шине. Наиболее известными из указанных зависимостей являются выражения, приведенные далее [1].

Формула Р. Хедекеля:

= я р1Гк^2Л>„рБ, (1)

где к2 - нормальная деформация шины; рш - внутренне давление воздуха в шине; Б -наружный диаметр шины; Япр - радиус кривизны протектора.

Формула В.Л. Бидермана:

и2

Ок =-, (2)

С + с2

ч

Рш + Ро

где р0 = 0,1 — 0,3 кг/см2 - давление в контакте шины при отсутствии в ней давления воздуха.

Для широкопрофильных шин регулируемого давления р0 = 0,3 кг/см2. С и С - постоянные для данной шины коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров шины и материалов.

С =

V "пр

К н V 2 Епр ^2К В

где Кн - коэффициент насыщенности рисунка протектора шины; ^ - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давлений по площади контакта шины; - коэффициент увеличения жесткости шины в связи с затрудненностью поперечных деформаций; Епр - модуль упругости протекторной резины; Ипр - толщина протектора.

С =_1_

2 2^ В

Формула Я.С. Агейкина:

Ок = ^^Р + Р0)(В + Ц)(1 — ^Я— % , (3)

где Н - высота профиля шины; р0 - составляющая давления в контакте от жесткости оболочки. Формула Хэлла:

Ок = КрШ58В1,3(^ + В), (4)

где К = 0,0810 ^ 0,0978 - для широкопрофильных шин; К = 0,1096 ^ 0,1254 - для широкопрофильных шин, заменяющих одинарные шины; К = 0,077 ^ 0,094 - для широкопрофильных шин регулируемого давления воздуха; В - приведенная ширина профиля шины.

В — 0,46В

в = в ° 'бВо6

1 0,713

где Воб - ширина обода.

Формула Б.В. Ненахова:

О, = , (5)

С1рш + Сс

где С = 0,0489 — 0,0532 и С2 = 0,142 — 0,166 - для широкопрофильных шин нерегулируемого

—

давления воздуха с отношением — = 0,63 ^ 0,80; С = 0,0502 — 0,0840 и С2 = 0,144 — 0,234 -

В

для широкопрофильных шин нерегулируемого давления воздуха с отношением —

— = 0,58 0,63 ; С = 0,0744 — 0,0820 и С2 = 0,117 — 0,229 - для широкопрофильных шин реВ

гулируемого давления воздуха.

Для проверки оценки приведенных выражений применительно к шинам сверхнизкого давления были проведены расчеты для шести моделей шин при внутреннем давлении воздуха в шинах 0,02 МПа; 0,04 МПа и 0,06 МПа. Базовая нагрузка 6000 Н.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало, что формула Хеде-келя неприменима при давлениях внутреннего воздуха в шинах 0,02МПа, ошибка может составлять от 23 до 200%. При давлениях внутреннего воздуха в шине 0,04 МПа и 0,06 МПа ошибка составляет 28-48%.

Расчеты по формуле В.Л. Бидермана могут дать погрешность до 53%. Формула имеет лучшую сходимость при более высоких значениях внутреннего давления воздуха в шине. При давлениях внутреннего воздуха в шине 0,06 МПа ошибка не превышает 21-22%.

Формула Я.С. Агейкина по сравнению с другими исследованными зависимостями более применима при расчетах нагружения шин сверхнизкого давления нормальной нагрузкой. Расчеты по ней могут дать погрешность не более 20-40%. При этом формула имеет указанную погрешность при всех значениях внутреннего давления воздуха в шине.

Формула Хелла дает наибольшую погрешность - до 360%. При давлении внутреннего воздуха 0,02 МПа она имеет лучшую сходимость. Ошибка составляет от 5% до 27%. Для шины 38х18.00-16 эта формула неприменима, так как при всех давлениях внутреннего воздуха ошибка составляет более 200%.

Расчет по формуле 8 Б.В. Ненахова дает погрешность в 2-3 раза.

Как видно из изложенного, при расчетах по приведенным формулам можно получить достаточно большую погрешность. Это можно объяснить тем, что упомянутые зависимости были получены в основном для многослойных шин высокого и низкого давления.

Была поставлена задача определения нагрузочных характеристик шин сверхнизкого давления, обеспечивающих более высокую точность расчетов.

С конца 60-х годов к расчету пневматических шин начали применять метод конечных элементов [2]. Этот метод для расчета шины представляет в целом достаточно сложную задачу, но при этом позволяет получить наиболее точный результат. На основе этого метода при помощи современных программных средств был произведен расчет шин сверхнизкого давления.

Объектом моделирования была выбрана шина модели Я-671 (52,2х25,5-25 ЬТ). Шина имеет двухслойный текстильный корд. Протектор покрышки на первом этапе исследования в модели не отражен.

На начальной стадии моделирования было построено радиальное сечение покрышки, где были представлены слои резины, наполнительный шнур, бортовая проволока, текстильный корд, бортовая лента и обод колеса с прижимными кольцами. Методом вращения была получена объемная модель шины, которая была разбита на оболочные и объемные конечные элементы.

Всем элементам модели были присвоены соответствующие материалы и свойства. Важной частью подготовительных работ для проведения динамического нелинейного анализа является задание параметров расчета и контактных условий.

Вертикальное нагружение модели осуществляется в несколько этапов.

1. Закрепление шины на колесном диске. Производится путем перемещения прижимных колец навстречу друг другу.

2. Задание давления в шине. Осуществляется путем увеличения внутреннего давления в шине.

3. Вертикальное нагружение. Осуществляется путем закрепления обода и перемещения опорной поверхности в вертикальном направлении.

Результатами, полученными на данном этапе исследования, являются: напряженно-деформированное состояние шины в условиях вертикального нагружения (рис. 3), графики изменения нормальной деформации от нагрузки при различных значениях внутреннего давления.

Для проверки адекватности составленной модели, а также соответствия полученных характеристик параметрам реальных шин был проведен сравнительный анализ на основании данных, полученных при экспериментальных исследованиях шин сверхнизкого давления.

Нагрузочная характеристика шины Я-671(52,2x25,5-21*1 Г) при Внутреннен Млети Воздуха 0.02 МПа

1

J

/ z

/у

г

_

яе ООО ТОО ЮГ »Я Я№ £ ц

1 Шина 0 каперном исполнении 2. Шина б Оескамернам исполнении 3 Конечно-элементная модель шины

Нагрузочная характеристика шины Я-671 (52.2x25.5-2U. Т\ при бнутреннем даВпении Воздуха 0.05 МПа

Г

7

3

"о яог яюв "501 шг гэт паю

1 Шина б камерном исполнении

2 Шина б бескамерном исполнении

3 Конечно-элементная модель шины

Рис. 5. Нагрузочные характеристики шин

Нагрузочная характеристика шины Я-671152.2x25.5-2U Т) при бнутреннем дсблении боздуха 0.07 МПа

1

з 2

за) «г ээт гас аа«? ель о, ц

1 Шина б камерном исполнении

2 Шина б бескамерном исполнении

3 Конечно-злементная модель шины

Для сопоставления и анализа данных были построены совместные графики нагрузочных характеристик для шин в камерном, бескамерном исполнении, а также конечно-элементной модели (рис. 4, 5, 6). В случае компьютерного моделирования расхождение составляет 7-10%. На основании этого можно сделать вывод о применимости данной конечно-элементной модели для дальнейших исследований в области машин на шинах сверхнизкого давления, связанных с плавностью хода, управляемостью и устойчивостью, а также для изучения процесса взаимодействии высокоэластичного колесного движителя с опорной поверхностью.

Библиографический список

1. Бидерман, В.Л. Автомобильные шины / В.Л. Бидерман. - М.: Госхимиздат, 1963. - 304 с.

2. Афанасьев, Б.А. Проектирование колесных машин с использованием моделирования / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 25 с.

Дата поступления в редакцию 23.04.2012

1 2 3 3

L.V. Barakhtanov , V.I. Kotlyarenko , S.E. Manyanin , I. A. Sokolov

INVESTIGATION OF BASE CHARACTERISTICS OF TYRES OF ULTRALOW PRESSURE

The Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alekseev1, Moscow State Technical University2, OOO " TRANSPORT", N. Novgorod3

Purpose: The settlement research of loading characteristics of tyres of ultralow pressure.

Design/methodology/approach: The study is based on analysis of equations that describes the process of deforming the tyre.

Findings: It is possible to apply the results for the mathematical description of movemtnt.

Research limitation/implications: The present study provides a starting-point for further research in the field of off-road capabilities of machines on snow.

Originality/value: The main peculiarity of the study is new approach of theoretical of deforming the snow from normal load.

Key words: snow cover, load, deforming, parameters of the snow, dependencies of deforming.