CC BY
28
УДК 621:629.3.027.514
В. Н. ТАРАСОВ И. В. БОЯРКИНА
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НОРМЫ СЛОЙНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПНЕВМОШИН
В статье предложено определять грузоподъемность диагональных и радиальных пневмошин как функцию обобщенного геометрического параметра (ЭБ/ п), равного произведению наружного диаметра Э, ширины профиля В, поделенного на норму слойности п. Грузоподъемность шины Q зависит от геометрических параметров, давления в шине, нормы слойности и прочности шины. Получены графические зависимости, которые облегчают процедуру выбора параметров пневматической шины для заданных условий эксплуатации. Предложено массу шины тк определять как функцию от обобщенного геометрического параметра (ЭБН), представляющего собой произведение наружного диаметра Э, ширины профиля В и высоты профиля Н шины для каждой нормы слойности пневмошины.
Ключевые слова: грузоподъемность, масса шины, норма слойности.
Экономическая эффективность и прибыль от производства пневмошин достигается при их производстве и эксплуатации благодаря повышению их износостойкости и работоспособности.
Анализ параметров шин отечественных и зарубежных производителей позволяет установить некоторые пути совершенствования и тенденции их развития за последние десятилетия. Число типоразмеров пневматических шин средних и больших размеров достаточно велико, что обеспечивает громадный выпуск и высокую востребованность шин в мировой практике. Однако в ближайшей перспективе будет увеличиваться выпуск крупногабаритных шин.
Достижение этой цели возможно различными направлениями и средствами. Самое простое и естественное направление — реализация методов физического и математического моделирования для всего типоразмерного ряда пневмошин.
Однако с увеличением габаритных размеров пневмоколес возрастает площадь поверхности тора, увеличиваются силы по закону Паскаля и нагрузки в нитях корда. В результате этого увеличивается число слоев корда и снижается экономическая эффективность пневмошин.
Рыночные показатели всех видов пневматических шин наземных транспортных средств характеризуются индексом нагрузки, символом скорости, нормой слойности, давлением и другими показателями [1, 2]. Норма слойности является более сложным техническим и технологическим параметром, который определяет, в первую очередь, величину вертикальной нагрузки на шину, величину скорости движения и прочность шины, а также внутреннее давление в шине и многие другие показатели [3 — 8]. Задача снижения нормы слойности является прямой проблемой современной нанотехнологии пневмоколес. Вместе с тем естественное моделирование известных конструктивных решений и дости-
жений, апробированных на шинах малых и средних размеров, не будет столь эффективным при использовании на большегрузных и крупногабаритных шинах. Наибольший экономический эффект от производства и эксплуатации шин будет получен при совместной реализации нанотехнологии и использовании новых конструктивных технологических решений.
Шины одной нормы слойности, разных геометрических размеров, монтируемые на обод одного диаметра, выполненные по единой технологии, при других равных условиях можно рассматривать как геометрически подобные системы. Изучение признаков подобия шин, их взаимосвязь необходима для совершенствования конструкции шин и правильного выбора параметров для определенных условий эксплуатации. Слойность каркаса увеличивает прочность шины и ее способность воспринимать нагрузку. Например, шина с нормой слойности пс = 14 при определенном давлении будет более жесткой по сравнению с шиной пс =12, которая при равной вертикальной нагрузке будет иметь меньшее сопротивление перекатыванию и лучшую топливную экономичность [9—11].
Шины повышенной нормы слойности имеют большую массу и большую грузоподъемность. Поэтому норма слойности — это сложный технический показатель, требующий тщательного изучения и развития.
На рис. 1 для диагональных шин показаны зависимости грузоподъемности Q от обобщенного геометрического показателя (ББ/пс), равного произведению наружного диаметра Б и ширины профиля В, поделенному на норму слойности пс. Путем деления произведения ББ на норму слойности происходит уменьшение этого произведения и снижается его влияние на грузоподъемность пневмошины.
Под графиком для каждой нормы слойности приведены уравнения корреляции грузоподъемно-
Рис. 1. Зависимость грузоподъемности Q диагональных пневмошин от обобщенного параметра ЭВ/п — наружный диаметр, ширина профиля и норма слойности пневмошины
1 — ис = 4, уравнение регрессии Q = 107,04 (ОВ/пс) +
0,4276, коэффициент Я2 = 0,9544;
2 — пс = 6, уравнение регрессии Q = 148,45 (ЭВ/пс) +
2,7556, коэффициент Я2 = 0,9926;
3 — пс = 8, уравнение регрессии Q = 221,77 (ЭВ/пс) +
3,7514, коэффициент Я2 = 0,9913;
4 — пс = 10, уравнение регрессии 2 = 262,21 (ЭВ/пс) +
6,9989, коэффициент Я2 = 0,9508;
5 — пс = 12, уравнение регрессии 2 = 260,66 (ЭВ/пс) + 15,7,
коэффициент Я2 = 0,8508; 6 — п = 14, шина 28Ь-26
Рис. 2. Зависимость грузоподъемности Q радиальных пневмошин от обобщенного параметра DB/n — наружный диаметр, ширина профиля и норма слойности пневмошины
1 — nc = 4, уравнение регрессии Q = 71,454 (DB/nc) +
2,8242, коэффициент R2 = 0,9992;
2 — nc = 6, уравнение регрессии Q = 150,32 (DB/nc) +
2,7158, коэффициент R2 = 0,9942;
3 — nc = 8, уравнение регрессии Q = 220,89 (DB/nc) +
3,9734, коэффициент R2 = 0,994;
4 — nc = 10, уравнение регрессии Q = 274,32 (DB/nc) +
6,5221, коэффициент R2 = 0,9478;
5 — nc = 12, уравнение регрессии Q = 256,45 (DB/nc) +
16,257, коэффициент R2 = 0,8962; 6 — n = 14, шина 28,1R26
сти Q от обобщенного показателя (ББ/пс). Линейные зависимости на рис. 1 подтверждают геометрическое подобие пневмошин по критерию нормы слойности.
На рис. 2 получены зависимости грузоподъемности Q от обобщенного параметра (ББ/пс) — произведения наружного диаметра Б, ширины профиля В, поделенного на норму слойности пс для радиальных пневмошин ГОСТ [2].
На рис. 1, 2 зависимости грузоподъемности Q учитывают геометрические размеры шины, параметры прочности шины и давление воздуха р . Например, линейная зависимость 2 на рис. 2 для пс= 6 начинается с шины 9,5Я24, для которой давление р =0,28 МПа, а заканчивается шиной 18,4Я24 с давлением рм = 0,11 МПа. Линейная зависимость 3 на рис. 2 для пс= 8 начинается с шины 9,5Я24 с давлением рМ = 0,28 МПа и заканчивается шиной 20,8Я38 с давлением рм =0,13 МПа. Линейная зависимость 4 на рис. 2 для пс =10 начинается с шины 11,2Я24 с давлением р = 0,3 МПа и заканчивается шиной 24,6Я32 с давлением рм = 0,17 МПа.
Зависимости, представленные на рис. 1, 2, отражают следующие физические закономерности. Для каждой нормы слойности при увеличении геометрических параметров, т.е. при увеличении произведения ББ происходит увеличение грузоподъемности Q. Однако увеличение размеров пневмошины связано с увеличением нагруженности каркаса шины, поэтому при увеличении геометрических размеров шины, т.е. произведения ББ, приходится для каждой нормы слойности уменьшать давление воздуха в шине.
Например, для диагональных шин (рис. 1) для зависимости 3 с нормой слойности пс=8 для увеличения грузоподъемности шины от Q= 10 кН до Q= 30 кН необходимо увеличить параметр (БВ/пс) от 0,03 до 0,12 и необходимо уменьшить давление воздуха в шине в диапазоне р = 0,28 — 0,13 МПа.
Для радиальных шин по рис. 2 наблюдаются аналогичные закономерности. Следовательно, по показателям грузоподъемности Q при равных
геометрических размерах и давлении диагональные и радиальные шины характеризуются зависимостями (см. рис. 1, 2).
Таким образом, если, используя зависимость 2 (рис. 2), создать пневматическую шину грузоподъемностью Q = 20 кН для nc = 6, то возникает задача выбора шины с такой же грузоподъемностью из других зависимостей. Грузоподъемность Q =20 кН можно получить, используя нормы слойности n = 8 или n = 10. Зависимости 3 и 4 дают такую же грузоподъемность при меньших размерах пневмошин: для зависимости 3 БВ/пс = 0,075; для зависимости 4 БВ/n =0,05.
c '
В данной ситуации необходимо сравнивать массу этих шин разной слойности при одинаковой грузоподъемности Q =20 кН для кривых 2, 3, 4 (рис. 2). Очевидно, при выборе пневмошины необходимо учитывать массу и стоимость шины.
Зависимости грузоподъемности пневмошин от обобщенного параметра на рис. 1, 2 получены впервые и позволяют наглядно оценить возможные варианты выбора пневмошины для требуемых условий эксплуатации. Слойность шины является способом снижения геометрических размеров шины и массы путем уменьшения произведения величин Б и В.
При определении массы пневмошины используем результаты исследований [8]. Массу шины т моделируем как массу пространственного геометрического тела в функции обобщенного параметра (БВН) — произведения наружного диаметра Б, ширины профиля В и высоты профиля Н.
На рис. 3а для диагональных пневмошин показана зависимость массы m от обобщенного параметра (БВН) для двух норм слойности nc = 16 и n = 24. c
c
На рис. 3б для радиальных пневмошин показана зависимость массы mот обобщенного параметра (БВН) для нормы слойности nc = 16.
Представленные зависимости описаны уравнениями регрессии с высокими коэффициентами корреляции, которые приведены под рис. 3: тк =ДБВН).
о
го
а)
б)
Рис. 3. Зависимость массы m от обобщенного параметра фВН): а) диагональные пневмошины:
1 — п = 16, уравнение регрессии m = 331,92 DВН + 46,778, коэффициент R2 = 0,9926;
2 — и. = 24, уравнение регрессии m = 560,35 DВН + 24,972, коэффициент R2 = 0,9448;
б) радиальные пневмошины: пс = 16, уравнение регрессии т = 356,96 DВН + 36,714, коэффициент R2 = 0,9559
Для каждой нормы слойности п масса шины увеличивается с увеличением геометрических размеров Б, Б, Н. При увеличении нормы слойности возрастает интенсивность увеличения массы.
Поэтому при выборе параметров шины необходимо решить проблему ограничения массы шины т двумя способами: 1 — снижением геометрических размеров; 2 — уменьшением нормы слойности [11-13].
Оптимальное сочетание геометрических размеров Б, Б, Н и нормы слойности п^ позволяет получить минимальное значение массы шины и минимальную стоимость шины.
Развитие пневмоколес может происходить в направлении увеличения площади контакта шины. Эта задача решается за счет увеличения ширины беговой дорожки. При увеличении площади контакта изменяется соотношение давления воздуха в шине и средних удельных давлений в контакте. Для исследования взаимосвязи этих параметров используется коэффициент
С = Р
(1)
среднее
где pw — давление воздуха в шине; ак удельное давление в контакте.
Многие производители увеличивают коэффициент С до значений, близких к единице, снижая при этом давление воздуха в шине. При снижении средних удельных давлений в контакте относительно давления воздуха в шине увеличивается износостойкость шины. Одновременно с увеличением площади контакта возрастает подъемная сила пнев-моколеса, увеличивается пробег с расчетной нагрузкой на оси.
Выводы. Грузоподъемность шины Q можно определять для каждой нормы слойности как функцию обобщенного геометрического параметра (DB/n ), равного произведению наружного диаметра D, ширины профиля В, поделенного на норму слойности nc. Геометрические параметры D, В и норма слойности nc влияют на грузоподъемность Q и массу пневмошины тк. Массу пневмошины тудобно определять как обобщенную функцию (DBH) для каждой нормы слойности.
Библиографический список
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. Надеждин Г. В. К вопросу влияния ширины обода на грузоподъемность шины / Г. В. Надеждин // Автомобильная и тракторная промышленность. 1964. № 8. С. 12-14.
7. Тарасов В. Н. Экспериментальное исследование качения ведомого колеса по барабану и плоской поверхности /
B. Н. Тарасов, Л. Г. Ягодкин, Э. Н. Голубев. Омск: СибАДИ, 1970. С. 45-48.
8. Бояркина И. В., Дегтярь В. В. Аналитическое и экспериментальное определение объема тора пневматической шины // Архитектура. Строительство. Транспорт: материалы международного конгресса. Омск: Изд-во СибАДИ, 2015.
C. 238-242.
9. 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.
10. Бояркина И. В. Технологическая механика одноковшовых фронтальных погрузчиков: моногр. Омск: Изд-во СибАДИ, 2011. 336 с.
11. Тарасов В. Н. Теоретический радиус качения эластичного колеса // Автомобильная промышленность. 1965. № 1. С. 5-6.
12. Тарасов В. Н. Грузоподъемность шины с жидким балластом // Тракторы и сельхозмашины. 1965. № 8. С. 10-12.
13. 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.
ТАРАСОВ Владимир Никитич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Механика».
Адрес для переписки: tarasov_vladimir07@mail.ru БОЯРКИНА Ирина Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика». Адрес для переписки: iriboyarkina@yandex.ru
а
к
1. ГОСТ 8430-2003. Шины пневматические для строительных, дорожных, подъемно-транспортных и рудничных
Статья поступила в редакцию 01.06.2017 г. © В. Н. Тарасов, И. В. Бояркина
