Аналитическое обоснование параметров и норм слойности пневмошин для наземных транспортных средств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

уДК 621629.3.027.514 и. В. БОЯРКИНА

В. Н. ТАРАСОВ

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,

г. Омск

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И НОРМ СЛОЙНОСТИ ПНЕВМОШИН ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ_

В статье предложено определять грузоподъемность пневмошины как функцию обобщенного геометрического параметра ЭБ, равного произведению наружного диаметра Э и ширины профиля шины Б. Норма слойности пнев-мошин четное число пс = 2, 4, 6... является сложным параметром, который характеризует грузоподъемность, конструкцию шины, ее прочность, технологические особенности, давление воздуха в шине. Впервые получены зависимости грузоподъемности шины Q от обобщенного параметра ЭБ для разных норм слойности пневмошин пс = 4,., 12 для диагональных и радиальных шин. Получены зависимости площади контакта пневмошины Ак от обобщенного геометрического параметра ЭБ для разных норм слойности диагональных и радиальных пневматических шин.

Ключевые слова: каркас шины, площадь контакта, номинальная грузоподъемность.

Пневматические шины придают ходовым механизмам наземных транспортных средств важные достоинства. Пневмоколеса на пневматических шинах обеспечивают высокие скорости, большую грузонесущую способность, малую массу, высокую окупаемость, востребованность для использования.

Основными параметрами пневматических шин, согласно ГОСТ [1, 2], являются: пс — норма слойности пневмошин; Б — наружный диаметр шины; В — ширина профиля; Н — высота профиля; й — посадочный диаметр, Я — статический радиус; р — давление воздуха в шине, Q — вертикальная нагрузка на оси колеса; V — скорость движения и др. В указанном перечне параметров отсутствует, как правило, информация о площади контакта шины Ак с опорной поверхностью в статическом состоянии и прогиб шины X.

Массовое применение получили две основные конструкции пневмошин: диагональные и радиальные (рис. 1).

На рис. 1а показана конструкция шины, каркас которой выполнен из диагональных слоев кордно-

го полотна, силовые нити которого перекрещиваются симметрично относительно продольной плоскости симметрии шины. На рис. 1б представлена радиальная шина типа Я, каркас которой выполнен из радиальных (меридиональных) слоев, силовые нити которых расположены радиально, т.е. в плоскости, проходящей через ось вращения колеса. Особенность радиальной шины заключается в сочетании радиального малослойного каркаса шины с металлокордным брекером в протекторе, защищающем шину от дорожных препятствий и проколов.

Радиальные и диагональные шины интенсивно развиваются в настоящее время. Радиальные шины унаследовали все достоинства диагональных шин и имеют ряд конструктивных и технологических достоинств по сравнению с диагональными шинами.

Выбор основных параметров пневмошин для заданных условий эксплуатации с учетом прочности и долговечности шин является в настоящее время весьма сложной научной и технической задачей.

При проектировании шины необходимо определить площадь контакта шины с опорной поверхно-

о

го

Диагональные слои каркаса шины

а)

Радиальные слои каркаса шины

б)

Рис. 1. Пневматические шины: а) диагональная; б) радиальная

ак

Рис. 2. Форма площади контакта шины на твердой поверхности

Анализ конструкций современных пневматических шин показал, что для номинальной грузоподъемности шины при номинальном давлении ширина площади контакта Ьзадается практически равной ширине беговой дорожки шины. В этих случаях длина ак площади контакта практически равна ширине Ьк = ак или несколько больше ее, т.е. площадь контакта шины имеет форму овала (рис. 2).

Площадь контакта шины при больших прогибах представляет собой простой овал в виде сочетания прямоугольника с двумя полудисками. При а = Ь имеем площадь контакта в виде круга.

Площадь контакта шины можно моделировать не эллипсом, а овалом, используя формулу, предложенную в работе [6]

Ак = к % Ьк )А '

(1)

где а^ — длина о вала; Ь- — ширина овала.

Формула (1) справедлива при а > Ь . Если возникнет ситуация для широкопрофильных шин, когда Ьк > а , то привеняет-я формула

Акя(Ьк-

\ , ш—

—к ) • — м~л~

(2)

Рис. 3. Сечение беговой дорожки шины в свободном состоянии

стью и обосновать форму площади контакта шины. Именно от формы площади контакта зависит износ шины и ее долговечность.

В работах [3 — 5] принимают эллипсовидную форму площади контакта, при которой изнашивается интенсивно средняя часть ширины беговой дорожки.

По мере износа увеличивается ширина контакта Ьк шины. Для постоянной нагрузки на шину при уменьшении ширины контакта происходит уменьшение длины контакта а , т.к. подъемная сила колеса по закону Паскаля сохраняется постоянной и соответствует определенной величине площади контакта. Однако такой упрощенный ход рассуждений не учитывает, что колесо технологической машины работает при переменных вертикальных нагрузках. В этом случае при вертикальных колебаниях шины эллипсовидная форма площади контакта имеет свои особенности, а именно, при изменении нагрузки одновременно изменяется ширина Ь и длина ак площади контакта шины, т.е. определенному изменению величины вертикальной нагрузки ДС соответствует меньшая величина прогиба шины ДХ.

В настоящее время конструкторы при проектировании шин регулирщ>т начальную форму и величину площади коштакта шишы путем изменения профиля сечения бегов ой дорожки в свободном состоянии (рис. 3).

Ширина протектора В обычно принимается в зависимости от ширины профиля шины по соотношению Вд/В = 0,70 в--,Т5 [5]. С шяличением ширины беговой дорожки и пло щади уменьшается удельное давление на дорогу и пшвышается износостойкость шины, при этом п овыш а ется т олщина протектора по краю беговой дорожки (см. рис. 3). Кривизна беговой дорожки принимается такой, чтобы стрела дуги h составляла 4 —в % от ширины профиля В. Для широкопрофияьных шин рекомендуют профиль беговой орожки очерчивать переменным радиусом. Применение переменного радиуса позволяет облегчить работу брекера и каркаса шины, снизить температуру в элементах шины [4].

Очевидно, что геометрия и форма свободной недеформируемой поверхности шины оказывает влияние на характер формирования площади отпечатка шины Ак на твердой опорной поверхности и на величину общего прогиба Х шины от вертикальной нагрузки. В настоящее время в технической литературе практически отсутствует информация по данной проблеме.

Общеизвестным является факт уменьшения прогиба шины с увеличением скорости движения машины [8—11]. В данной статье предлагается ввести новое понятие в веор—и янеямошины — теоретическую площадь контакта шины при заданной вертикальной нагрузке и давлении в ш—не, которая определяется по формуле соа%—ки

ф я Ш .

(3)

где Ак — площадь контакта шины при заданном давлении; Ш — грузоподъемность по ГОСТ [1]; го — давление в шине.

Теоретическая плоцадь контакта Ак является важным параметром, уак шв позволяет определить подъемную силу колеса гА- [6, 7], которая

0, кН

40

30

20

10

6

,о . О ч

\2

д

1к,м

0,3 0,25 0,2

0,15 0,1

0,05

4 уб '5

л

1

0,3

0,6

0,9

1,2 £>я м

0,3

0,6

0,9

1,2 И-В, м2

Рис. 4. Зависимость грузоподъемности О диагональных шин от произведения ОБ:

1 — пс = 4, уравнение регрессии О = 26,76ОБ + 0,4276,

коэффициент R2 = 0,9544;

2 — пс = 6, уравнение регрессии О = 24,742ОБ + 2,7556,

коэффициент R2 = 0,9926;

3 — пс = 8, уравнение регрессии О = 27,721ОБ + 3,7514,

коэффициент R2 = 0,9913;

4 — пс = 10, уравнение регрессии О = 26,221ОБ + 6,9989,

коэффициент R2 = 0,9508;

5 — пс = 12, уравнение регрессии О = 21,722ОБ + 15,7,

коэффициент R2 = 0,8506;

6 — п = 14, шина 28Ь-26

Рис. 6. Зависимость площади контакта Ак диагональных шин от произведения ОБ:

1 — пс = 4, уравнение регрессии Ак = 0,30960Б - 0,026,

коэффициент R2 = 0,9807;

2 — пс = 6, уравнение регрессии Ак = 0,29210Б - 0,0404,

коэффициент R2 = 0,9469;

3 — пс = 8, уравнение регрессии Ак = 0,270Б - 0,0363,

коэффициент R2 = 0,9652;

4 — пс = 10, уравнение регрессии Ак = 0,28620Б - 0,0587,

коэффициент R2 = 0,9874;

5 — пс = 12, уравнение регрессии Ак = 0,29220Б - 0,0774,

коэффициент R2 = 0,99;

6 — п = 14, шина 28Ь-26

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 п в, м2

Рис. 5. Зависимость грузоподъемности О радиальных шин Рис. 7. Зависимость площади контакта Ак радиальных шин

от произведения ОБ: от произведения ОБ:

1 - - пс = 4, уравнение регрессии О = 17,863ОБ + 2,8242, 1 — - пс = 4, уравнение регрессии Ак = 0,29690Б - 0,0258,

коэффициент R2 = 0,9942; коэффициент R2 = 0,9833;

2 — - пс = 6, уравнение регрессии О = 25,0540Б + 2,7158, 2 — - пс = 6, уравнение регрессии Ак = 0,30170Б - 0,0448,

коэффициент R2 = 0,9926; коэффициент R2 = 0,9498;

3 — - пс = 8, уравнение регрессии О = 27,611ОБ + 3,734, 3 — - пс = 8, уравнение регрессии Ак = 0,28240Б - 0,0448,

коэффициент R2 = 0,994; коэффициент R2 = 0,9767;

4 — - пс = 10, уравнение регрессии О = 27,432ОБ + 6,5221, 4 — - пс = 10, уравнение регрессии Ак = 0,27410Б - 0,0522,

коэффициент R2 = 0,9478; коэффициент R2 = 0,9702;

5 — - пс = 12, уравнение регрессии О = 21,371ОБ + 16,257, 5 — - пс = 12, уравнение регрессии Ак = 0,17510Б + 0,0291,

коэффициент R2 = 0,8962; коэффициент R2 = 0,8911;

6 — - пс = 14, шина 28.1R26 6 — - пс = 14, шина 28.1R26

в статике и при малой скорости движения практически совпадает с грузоподъемностью пневмоко-леса.

Получены результаты исследования грузоподъемности Q для диагональных (рис. 4) и радиальных (рис. 5) пневмошин по данным ГОСТ [2] от обобщенного параметра ОВ, представляющего собой произведение наружного диаметра шины О и ширины профиля В. Прямые линии на графиках соответствуют определенной норме слойности пневмо-шины, которая изменяется в пределах пс = 4—12.

Е

Для каждой зависимости под рисунками приведены О

уравнения регрессии грузоподъемности Q от произ- р

ведения ОБ: Q=f(DВ). Е

Впервые в теории пневмошины предложено Е

при определении грузоподъемности шины Q опре- г

делять геометрические размеры колеса в виде Е

произведения наружного диаметра О и ширины °

профиля Б. Такие зависимости (см. рис. 4, 5) пока- ДН

зывают, что для шины с заданной нормой слойности Е для увеличения грузоподъемности Q необходимо увеличивать произведение величин О и Б. Однако

1,2-10

-6

8-10

-7

■10

а

-7

2

¡¡^/

-ч

1 1С2

4-10

-7

й

'8-10 7 12-1С^ 1.6•!О"6

м

е =гА +с е 1 -е 2

А - с—-с2е=о.

А( л ^ = С1АК

(6)

В уравнении (6) ^е^личи—а (У/р является теоретической площадью контакта. Таким лбрчзом коэффициент С1 устанавливает связь режду теоретической Ак и дейстм^елькой А— площадями контакта шины по формуле ( 6).

Полученные выражения позволяют установить величину вертикачьнок наглузчи . воспринимаемой каркасом шины е

)й л (А( - А( )р

(7)

Рис. 8. Универсальная характеристика площади контакта для диагональных пневмошин: 1 — п = 6; 2 — п = 8

при увеличении нормы слойности появляется возможность создавать пневмошины с меньшим произведением ОБ, т.е. с меньшими геометрическими размерами.

Получены зависимости площади контакта шины Ак от произведения ОБ: для диагональных шин (рис. 6) и для радиальных шин (рис. 7), которые являются линейными функциями Ак =/(ВБ). Для разных нлрм слойности пс под каждым рисунком показаны уравнения ре грессии для шин [2].

Для установления связи теоретической площади контакта шины Ак с грузоподъемностью й и давлением волдуха в шине р использовалась разработанная авлор ами статьи универсальная характеристика площади контакта шины [11], которая устанавлива-ет чнейную связь обобщенных параметров АЦй от А/Ре .

На рис.8 представлены обобщенные характеристики площади контакта пневмошлны, в которых площадь контакта вычислялась для каждой шины по формулам (1),(2) путем определения для каждой шины длины контаита а и ширины контакта Ък.

Установлена связь п—оща-и контакта Ак с грузоподъемностью й и давлением ре для норм слойности п =6 и п =8.

с с

Зависимости, предлтавленные на рис. 8, описы-ваютсяуравнениями йе гр ессии первого порядка

(4)

Уравнение втвр чй ста пени тле ллощади контакта шины имеет в лд

(5)

При норме слчйносли пс =н 6 еоэффициенты С1, С2 имеют значения: Су 4,8899618; С2 = 6,34223-10-1. При норме слойно сти п = 8 значения коэффициентов: С1 = 0,8943061; С— = 7,47007-10-8.

Зависимости на рис. 8 являются эмпирическими, однако это луч1 , когда эмпирические закономерности тражают физическую сущность процесса формирования грузоподъемности шины по физическому закону Паскаля.

Если в уравнении (5) пренебречь третьим слагаемым С20, то получим уравнение действительной площади контакта

где Дй — нагрузка, воспринимаемая каркасом шины.

Исследуя значения коэффициентов:

С1 = 0,88В961Ь для пя= Т; С1 =0,8943861 для пс = 8, можно с ела ь ыв д е том, что воздух в шине по закону Поскаля воспринимает основную вертикальную нагрузку. При этом недостающую долю нагрузкио до единицы от вертикальной нагрузки воспринимает каркас шины.

Доля вертикальной нагрузки, воспринимаемой каркасов , равиа Д0=(0,11—0,106)0, соответственно, для йс = 6 р пс = 8.

Выводы. Грлвоподьемность й пневмошины можно определять дш таждоо нормы слойности пкак функцию обоб еенного геометрического параметра ОБ. Для пнетмйшин предложено определять теоретически) плащадь контакта шины Ак на твердой поверхнасти. Предложена методика определения действит льной площади контакта при помощи универсальной ха акееристики площади пневмо-шины А( л С1А( . Площадь контакта пневмошины зависит от геометрических параметров шин Д В и слойности пс каркаса шины.

Библиографический список

1. ГОСТ 8430-2003. Шины пневматические для строитель-ных,дорожных, подъемно-транспортных и рудничных машин. Введ. 2005-01-01. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. 20 с.

2. ГОСТ 25641-84. Шины пневматические для тракторов и сельскохозяйственных машин. Введ. 1984-03-30. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1985. 39 с.

3. Бухин Б. Л. Введение в механику пневматических шин. М.:Химия, 1988. 224 с.

4. Кнороз В. И. [и др.]. Работа автомобильной шины. М.: Транспорт, 1976. 238 с.

5. Бидерман В. Л. [и др.]. Автомобильные шины (конструкция, расчет, испытания, эксплуатация) / под ред. В. Л. Бидер-мана. М.: Госхимиздат, 1963. 384 с.

6. Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Дегтярь В. В. Метод расчета грузоподъемности пневмоколеса и прочности каркаса автошины транспортного средства // Строительные и дорожные машины. 2015. № 5. С. 47-52.

7. Бояркина И. В. Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: моногр. Омск: Изд-во СибАДИ, 2011. 336 с.

8. Тарасов В. Н. Теоретический радиус качения эластичного колеса // Автомобильная промышленность. 1965. № 1. С. 5-6.

9. Тарасов В. Н. Грузоподъемность шины с жидким балластом // Тракторы и сельхозмашины. 1965. № 8. С. 10-12.

10. Белкин А. Е., Уляшкин А. В. Расчет деформаций в беговой части радиальной шины с учетом межслойных сдвигов в брекере // Известия вузов. Машиностроение. 1990. № 1. С. 86-90.

е

е

11. Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Дегтярь В. В. Универсальные характеристики пневмоколес строительных и дорожных машин // Строительные и дорожные машины. 2015. № 12. С. 50-53.

БОЯРКИНА Ирина Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика». Адрес для переписки: iriboyarkina@yandex.ru

ТАРАСОВ Владимир Никитич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Механика».

Адрес для переписки: tarasov_vladimir07@mail.ru

Статья поступила в редакцию 01.06.2017 г. © И. В. Бояркина, В. Н. Тарасов

УДК 62-1

Ю. И. МАТЯШ Ю. М. СОСНОВСКИЙ А. А. РАЖКОВСКИЙ Е. М. КОНДРИКОВ

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

Рассмотрены термодинамические процессы, происходящие в металлических сплавах при их охлаждении от температуры плавления до нормальной температуры окружающей среды. Показано, что наиболее приемлемый метод прогнозирования остаточного ресурса деталей железнодорожного подвижного состава должен базироваться на использовании полуэмпирических расчетных зависимостей, связывающих изменение энергетических параметров металлических изделий с изменением их структурной рыхлости. Обосновано наличие точки перегиба на зависимости изменения прочностных свойств металла от структурной рыхлости.

Ключевые слова: конструирование технических деталей, остаточный ресурс, структурная рыхлость, энергетический барьер, термодинамические процессы.

Поведение металлических изделий железнодорожного транспорта, которые работают, как правило, в режиме циклических нагружений, изучались с различных точек зрения, в том числе и на основе энергетических представлений. Используя современные средства неразрушающего контроля, например, в работе [1] было показано, что разрушение твердых тел — это процесс, развивающийся во времени, состоящий из последовательных элементарных флуктуаций разрыва межатомных связей, которые совершаются за счет теплового движения атомов. Согласно этой теории, процесс разрушения на начальной стадии следует рассматривать как процесс, в котором вследствие тепловых флуктуа-ций преодолевается энергетический барьер и , величина которого может быть уменьшена в результате действия внешних напряжений а:

и0

кТ

(1)

здесь т — время между двумя последовательными флуктуациями, т0 — период собственных тепловых колебаний атома, у — структурный фактор, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, а — внешнее напряжение. Как видно из приведенной формулы (1), наличие внешней нагрузки а и повышение температуры Т приводит к уменьшению времени между двумя последовательными флуктуа-ционными переходами.

Известно, что все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов, которые находятся в непрерывном хаотичном движении. В результате термодиффузионных процессов происходит самопроизвольное выравнивание концентраций всех включений по всему занимаемому объему. В соответствии с кинетической теорией жидкостей атомы веществ в результате термодиффузионных процессов располагаются друг относительно друга на определенных расстояниях, которые определяются величинами

о

го

1 = 1,.ех