|
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
ДУГЕЛЬНИЙ Володимир Миколайович
УДК 629.113
ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ КУРСОВОЇ СТІЙКОСТІ
ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛЯ З УРАХУВАННЯМ
СИЛОВОЇ НЕОДНОРІДНОСТІ ЙОГО ШИН
Спеціальність 05.22.02 - Автомобілі та трактори
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Технічна експлуатація автомобілів” автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Горлівки.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Макаров Володимир Андрійович,
Донецький інститут автомобільного транспорту, завідувач кафедри “Технічна експлуатація автомобілів”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Ларін Олександр Миколайович,
Академія цивільного захисту України, завідувач кафедри “Пожежна та аварійно-рятувальна техніка”;
кандидат технічних наук, доцент
Грищук Олександр Казимирович,
Національний транспортний університет, доцент кафедри “Автомобілі”.
Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній
університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автомобілі”, м. Харків.
Захист відбудеться “_24_” _лютого_ 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.059.03 у Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “_17_” січня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.
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 й значного збільшення швидкостей руху. Серед найбільш важливих вимог до експлуатаційних властивостей автомобіля необхідно відзначити вимоги до курсової стійкості автомобіля, тому що, найчастіше, втрата курсової стійкості транспортного засобу супроводжується виникненням дорожньо-транспортної пригоди (ДТП).
Сама втрата курсової стійкості руху автомобіля пов'язана з дією на автомобіль різних збурюючих сил, у тому числі й бічних сил, що виникають у плямі контакту шин автомобіля з дорогою. Однією з причин виникнення таких бічних сил є зміна пружних властивостей пневматичних шин.
Зазначені обставини спричиняють необхідність пошуку методів оцінки ступеня впливу збурюючих сил і неоднорідності силових характеристик пневматичних шин, зокрема, на параметри курсової стійкості руху автомобіля.
Оскільки одним з основних шляхів попередження ДТП є забезпечення заданого рівня керованості автомобіля, в тому числі, за рахунок підвищення його курсової стійкості, то покращення показників курсової стійкості автомобіля можна вважати одним із перспективних й ефективних напрямків боротьби за зниження аварійності на дорогах. Це можливо тільки після детального вивчення ступеню впливу тих або інших збурюючих факторів на характер динамічної взаємодії автомобільного колеса з дорожньою поверхнею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з дослідженнями кафедри "Технічна експлуатація автомобілів" автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету згідно з планами наукових досліджень Міністерства освіти і науки України за темами: “Розвиток теорії і прогнозування динамічної взаємодії еластичного колеса з дорожнім покриттям”, № держ. реєстрації 0197U009346 і “Основи аналізу стійкості автомобіля з еластичними пневматичними шинами, що мають жорсткісну неоднорідність”, № держ. реєстрації 0100U001097. Особисто автором у цих роботах уточнена математична модель руху одиночного автомобіля, шини якого мають жорсткісну і силову неоднорідність, а також проведені дослідження цієї математичній моделі.
Метою роботи є підвищення безпеки експлуатації легкових автомобілів із шинами, що мають силову неоднорідність, за рахунок поліпшення показників курсової стійкості.
Для досягнення поставленої мети задачі дослідження сформульовані в такий спосіб:
- виявити особливості взаємодії з опорною поверхнею коліс, що мають силову неоднорідність;
- розробити математичну модель автомобіля з колесами, шини яких мають силову неоднорідність;
- проаналізувати вплив силової неоднорідності на показники курсової стійкості автомобіля;
- експериментально визначити характеристики силової неоднорідності шин коліс легкових автомобілів залежно від зносу рисунка протектора й механічних ушкоджень каркаса шини;
- розробити рекомендації з використання результатів дослідження для підвищення курсової стійкості автомобіля і його безпечної експлуатації.
Об'єктом дослідження є курсова стійкість легкових автомобілів з еластичними пневматичними шинами.
Предметом дослідження є вплив силової неоднорідності шин на показники курсової стійкості автомобіля.
Методи дослідження передбачали математичне моделювання стаціонарних і нестаціонарних режимів руху легкових автомобілів з колесами, шини яких мають силову неоднорідність, різноманітні розрахунки показників курсової стійкості автомобілів із зазначеними колесами, а також експериментальне визначення показників силової неоднорідності шин залежно від зносу їхнього рисунку протектора й механічних ушкоджень каркаса шини.
Наукова новизна дослідження полягає в тому, що на основі удосконаленої математичної моделі руху легкового автомобіля визначені критична швидкість руху за курсовою стійкістю та траєкторія центру мас з урахуванням силової неоднорідності шин його коліс.
Достовірність результатів забезпечена коректним використанням основних положень теоретичної механіки й теорії автомобіля; методів математичного моделювання й графоаналітичних методів рішення диференціальних рівнянь; використанням сучасної контрольно - вимірювальної й обчислювальної техніки при проведенні й обробці результатів експериментальних досліджень і підтверджується адекватністю результатів математичного моделювання і визначення впливу експлуатаційного стану шини на розподіл сил у плямі її контакту з опорною поверхнею.
Практичну значимість результатів досліджень становлять:
- математична модель динаміки руху легкового автомобіля, що дозволяє враховувати вплив силової неоднорідності пневматичних шин на параметри курсової стійкості;
- експериментальні залежності, що описують вплив технічного стану шини на розподіл сил у плямі контакту та коефіцієнт опору відведенню шин, що мають силову неоднорідність.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, які виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно. У роботах у співавторстві здобувачеві належать: у роботі [1] - аналіз досліджень за результатами контролю технічного стану автомобільних шин; у роботі [2] - аналіз існуючих методів контролю експлуатаційного стану еластичних пневматичних шин; у роботах [3,4] - аналіз причин зміни жорсткісних властивостей пневматичних шин й можливих способів управління динамічними властивостями автомобілів; у роботі [5] - аналіз ситуацій, що викликають за порушення курсової стійкості руху автомобілів; у роботі [6] - постановка завдання й методика визначення параметрів курсової стійкості автомобіля, що має жорсткісну неоднорідність еластичних пневматичних шин; у роботах [7,8] - методика визначення параметрів курсової стійкості одиночного автомобіля; у роботі [9] - методика математичного моделювання пружних властивостей пневматичного колеса; у роботі [10] - методика експериментальних досліджень з визначення жорсткісних властивостей пневматичних шин, у роботі [11] – проаналізовано вплив асиметричної кутової неоднорідності коліс лівого і правого борту на величину критичної швидкості руху автомобіля.
Апробації результатів дисертації. Основні положення й результати роботи викладені, обговорені й схвалені на наступних конференціях: 51 - 54, 56 - 58 наукових конференціях професорсько – викладацького складу й студентів Національного транспортного університету (Українського транспортного університету), (м. Київ, 1995 – 1998, 2000 – 2003 рр.); міжнародній науковій конференції “Проблемы безопасности транспортного пространства” (Липецьк, вересень 1998 р.); науково-практичній конференції “Системотехніка на автомобільному транспорті” (Харків, листопад 1998 р.); міжнародній науковій конференції “Автомобільний транспорт і дорожнє господарство на рубежі 3-го тисячоріччя” (Харків, жовтень 2000 р.); міжнародній науково - практичній конференції “Автомобильный комплекс: проблемы и перспективы развития” (Москва, грудень 2000 р.); міжнародній науково - технічній конференції “Перспективні напрямки розвитку конструкції автомобіля” (Харків, жовтень 2001 р.); міжнародній науково - технічній конференції “Автомобільний транспорт у ХХІ столітті” (Харків, листопад 2003 р.); 7 - ій міжнародній науково - технічній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми й перспективи” (Севастополь, вересень 2004 р.).
Реалізація роботи. Матеріали дисертаційної роботи впроваджені СТО “Opel” ТОВ “Gratium Ltd” офіційного дилера “Adam Opel AG” при розробці нових методів діагностування технічного стану легкових автомобілів, а також відділенням автотехнічних експертиз і товарознавчої діяльності науково-дослідного експертно-криміналістичного центра при УМВД України в Донецькій області при проведенні автотехнічних експертиз дорожньо - транспортних пригод.
Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 11 статтях у наукових виданнях ВАК України за спеціальністю.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 138 сторінок; з них 122 сторінки основного тексту, в тому числі 56 ілюстрацій та 4 таблиці за текстом; 120 найменувань використаних джерел на 10 сторінках; 2 додатка на 6 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність теми, представлена загальна характеристика роботи, перераховане коло завдань, які вирішуються, сформульовані мета й завдання дослідження, показані наукова новизна й практична значимість отриманих результатів дослідження.
У першому розділі на основі аналізу літературних джерел встановлено, що розгляд динаміки руху автомобіля неможливий без моделювання властивостей шини, тому що порушення курсової стійкості автомобіля пов'язане з бічним проковзуванням колеса або ж його відведенням під дією бічної сили. Сама ж бічна сила, урахування якої необхідне для керування автомобілем і стабілізації його руху, залежить від перерозподілу навантаження, зміни кутів розвалу коліс, тиску повітря в шині, величини тягової сили тощо. Ще більше ускладнюється процес визначення бічної сили, якщо врахувати те, що взаємодія з опорною поверхнею відбувається через колеса, шини яких мають силову неоднорідність.
Динаміка кочення еластичного пневматичного колеса визначається як кінематичними характеристиками - боковим зміщенням колеса відносно його центральної площини симетрії, кутом скручування плями контакту і кутами встановлення, так і особливостями дороги, технічним станом шини тощо. Ці характеристики впливають на величину стабілізуючих сил і моментів між опорною поверхнею і колесом, які намагаються повернути колесо у вихідне положення. При цьому бічна складова сили визначається як кутом розвалу, так і бічним зміщенням, яке пропорційне куту відведення, а стабілізуючий момент - визначеним вище кутом скручування плями контакту, який може бути зв’язаний з кутом відведення.
У другому розділі показано, що одним із найбільш актуальних напрямків розвитку динаміки взаємодії колеса з опорною поверхнею є врахування у математичних моделях силових характеристик автомобільних шин. Так, наприклад, у роботах М.А. Левіна і Н.А. Фуфаева коефіцієнти бічного відведення зв’язані певною функціональною залежністю з коефіцієнтами бічної жорсткості шини. Разом з тим, для еластичних пневматичних шин, параметри яких відрізняються від значень, установлених технічною документацією або від обраних за нормативами (однобічне зношування, неоднорідності й ін.), бічну силу необхідно розглядати як функцію, що залежить і від силової неоднорідності еластичної пневматичної шини. Введення у функцію додаткових коригувальних параметрів дозволяє з більшою вірогідністю визначити характер розподілу сил у плямі контакту. Тому силову неоднорідність, що у значній мірі визначає технічний стан шини, потрібно розглядати і як характеристику, що істотно впливає на характер кочення еластичного колеса. З одного боку, це прямо пов'язано з безпекою руху, з іншого боку - представляє самостійний теоретичний інтерес для дослідження: силова неоднорідність шини може бути спеціально передбачена самою конструкцією, а може бути обумовленою недосконалостями, отриманими при виробництві й експлуатації шин (конусність, нерівномірне зношування й ін.). Тобто, її вплив на стійкість автомобіля може розглядатися як у позитивному, так і негативному аспектах. За наявності силової неоднорідності шини по її профілю, бічна сила в контакті колеса з опорною поверхнею виникає навіть при відсутності кута відведення.
У роботі пропонується враховувати силову неоднорідність шини як деякий узагальнений параметр, що відповідає даному відхиленню від норми, обумовленому дією різних видів недосконалостей. З урахуванням даного визначення силової неоднорідності шини залежності бічних реакцій від кутів відведення записані у вигляді:
 (1)
де δ0і – кут відведення, обумовлений наявністю в і – ій шині кутового ефекту, рад;
YКі – складова бічної сили, обумовлена наявністю в і – ій шині конічного ефекту, Н.
де kі – коефіцієнт опору відведення для і – ої шини, обумовлений тангенсом кута нахилу лінійної частини кривої;
φі – коефіцієнт зчеплення між і – ою шиною та опорною поверхнею;
k0 – коефіцієнт, що задає максимальне значення реакції відведення (визначає горизонтальну асимптоту) і знаходиться із співвідношення:
 (2)
с - коефіцієнт, значення якого залежить від кута нахилу лінійної частини кривої і визначається співвідношенням:
 (3)
Характер впливу кутового й конічного ефектів на залежність бічної сили від кута відведення представлений на рис. 1. Значення максимальної сили зчеплення колеса в бічному напрямку позначене величиною Y*.
Рис. 1. Залежність бічної реакції від кута відведення:
а) за наявності в шині кутового ефекту; б) за наявності в шині конічного ефекту; в) сумарний вплив кутового й конічного ефектів шини на бічну реакцію
Крім цього, сумарний вплив кутового й конічного ефектів істотно міняється по довжині окружності шини (рис. 2).
У цьому випадку найпростішою математичною моделлю, що описує зміну силової неоднорідності пневматичної шини в бічному напрямку, може служити гармонійна апроксимація:
 (4)
де Yі(δ) – середнє значення бічної сили для і – го колеса, що відповідає певному куту відведення, Н;
ΔYі – амплітуда коливання бічної сили за один оберт і – го колеса, Н;
ω - кутова швидкість обертання колеса, рад/с;
t – поточний час, с.
Рис. 2. Залежність бічної реакції від кута відведення по довжині окружності шини
Запропонований підхід дозволяє найбільше повно врахувати силову неоднорідність пневматичної шини по довжині її окружності, яка обумовлена наявністю кутового й конічного ефектів. Це, у свою чергу, дає можливість передбачати характер динамічного поводження автомобіля й прогнозувати ступінь безпеки його експлуатації.
Після визначення бічної сили в залежності від кута відведення і силової неоднорідності шини були проаналізовані математичні моделі, що описують динаміку одиночного автомобіля, з метою їх використання при розробці математичної моделі руху легкового автомобіля. При цьому було встановлено:
1. При складанні рівнянь руху для визначення показників стійкості автомобіля в більшості досліджень залежність між кутами відведення й бічних сил приймається лінійною, що справедливо для кочення колеса у веденому режимі й для малих кутів відведення, незважаючи на те, що математичні моделі автомобіля містять велику кількість нелінійних елементів, вплив яких на стійкість руху вивчено недостатньо. Відомо, що врахування різного роду нелінійностей у динамічній системі дозволяє не тільки встановити межі застосовності результатів лінійного наближення, але й виявити ефекти, принципово неможливі в лінійній моделі і якими так багата експлуатаційна практика. Характерним прикладом є стрибкоподібна зміна стаціонарних станів автомобіля при плавній зміні керуючих параметрів - катастрофи стаціонарних станів.
2. Із-за пружності деталей рульового керування, а також зазорів у його шарнірах і рульовому механізмі при незмінному положенні рульового колеса, положення якого задається водієм, керовані колеса можуть повертатися під дією прикладених до них зовнішніх моментів. Оскільки керовані колеса мають певну масу, зв'язки якої з кузовом автомобіля є пружними, а моменти, які прагнуть змінити положення коліс, - змінними, то можливе виникнення динамічних процесів, що вплинуть на характер руху всього автомобіля.
3. Незважаючи на те, що дослідження в напрямку вивчення впливу силових характеристик шин на керованість і стійкість автомобіля продовжуються і зараз, проте поки що не існує досить ефективної математичної моделі, яка описувала б динаміку руху автомобіля з урахуванням індивідуальних особливостей автомобільної шини.
На основі аналізу виконаних робіт було запропоновано розглядати динаміку руху легкового автомобіля на основі двохмасової плоскої розрахункової моделі з усуненням зазначених недоліків. Зокрема, в дисертаційній роботі при визначенні параметрів курсової стійкості автомобіля з еластичними шинами, що мають силову неоднорідність, була використана модель автомобіля із керованим колісним модулем. Динаміка руху автомобіля для такої моделі описується рівняннями:
 (5)
 (6)
 (7)
де m - маса кузова автомобіля, кг;
m1 - маса керованого колісного модуля, кг;
J - момент інерції кузова щодо центральної вертикальної осі, кг⋅м2;
J1 - момент інерції керованого колісного модуля щодо центральної вертикальної осі, кг⋅м2;
a - відстань від центра мас до передньої осі, м;
b - відстань від центра мас до задньої осі, м;
λ - винос колеса, м;
Y1 - сумарна бічна сила на передній осі, Н;
Y2 - сумарна бічна сила на задній осі, Н;
X1 - поздовжня сила на передній осі, Н;
v, u - поздовжня й поперечна проекції вектора швидкості центра мас автомобіля, м/с;
θ - поточне значення кута повороту керованого колісного модуля, рад.
Урахування сил, що діють на керований колісний модуль, у розрахунковій двохмасовій моделі автомобіля дозволяє простежити динаміку переміщення колісного модуля щодо кузова автомобіля. При цьому створюються умови для урахування приведеного коефіцієнта жорсткості керованого колісного модуля, а також індивідуальних пружних властивостей пневматичних шин.
У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень по визначенню характеру взаємозв'язку між технічним станом шини й зміною величини бічної сили при динамічній взаємодії пневматичного колеса з поверхнею кочення.
Аналізуючи результати експериментальних досліджень можна однозначно відмітити, що бічна сила, яка діє на пневматичне колесо й викликана зміною його структурних параметрів, може істотно міняти свою величину по окружності бігової доріжки.
Крім цього необхідно відзначити ряд характерних випадків якісних і кількісних змін величини бічної сили Y в залежності від кута повороту колеса цК відносно осі обертання.
1. При прокочуванні колеса, що має яскраво виражене однобічне зношування, у встановленому й зворотному напрямках, характери зміни бічної сили (рис. 3) практично не змінюються, що свідчить про наявність конічного ефекту.
Рис. 3. Варіація бічної сили по окружності шини при однобічному зношуванні протектора: (_____) у встановленому напрямку обертання колеса;
(-------) у зворотному напрямку обертання колеса
2. За відсутності будь-яких візуальних ознак зміни структурних параметрів шини, при прокочуванні колеса у встановленому й зворотному напрямках величини бічних сил мають дзеркальне відображення (рис. 4). Такий характер зміни бічних сил свідчить про наявність у шині кутового ефекту, тобто центральна площина обертання колеса з шиною повернена щодо центральної площини обертання диска колеса.
Рис. 4. Варіація бічної сили по окружності шини при наявності кутового ефекту: (_____) у встановленому напрямку обертання колеса;
(-------) у зворотному напрямку обертання колеса
3. Наявність пошкоджень боковини шини однозначно призводить до зміни характеру й величини бічної сили. Так, на рис. 5 помітні зміни бічної сили за рахунок розриву боковини шини.
Рис. 5. Варіація бічної сили по окружності шини за наявності бічного розриву шини
Наявність асиметрії бічної сили й нерівномірність її розподілу по окружності пояснюється наявністю силової неоднорідності шини. Для нечисленної вибірки шин з різним ступенем зношеності величина бічної сили коливається в широких межах, залежно від висоти профілю шини, й має індивідуальний характер.
У результаті експериментальних досліджень було встановлено:
- нерівномірна зміна висоти рисунка протектора пневматичної шини в межах його експлуатаційних значень призводить до виникнення бічної сили та коливання її величини по окружності колеса;
- рівні середніх значень величини бічної сили для пневматичних шин одного типорозміру, але з різною висотою профілю незначно відрізняються між собою (менше 5%);
- наявність ушкоджень боковини шини призводить до виникнення стрибкоподібних змін розподілу сил, діючих у плямі контакту шини з опорною поверхнею;
- для окремої пневматичної шини з різним ступенем зношеності величина коливань бічної сили має індивідуальний характер.
У четвертому розділі виконаний аналіз динамічних якостей легкового автомобіля в рамках плоскої велосипедної моделі без урахування силової неоднорідності шин його коліс, з урахуванням силової неоднорідності пневматичних шин і з урахуванням параметрів керуючого колісного модуля. У першому випадку для автомобіля з надлишковою повороткістю (k1a > k2b) прямолінійний рух асимптотично стійкий лише при швидкості 
| 
