СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ............................................................. 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР................................................ 7
1.1.Технологии установки шипов противоскольжения в протектор
шины........................................................... 7
1.2.Типы шипов противоскольжения................................. 15
1.3.Работа автомобильного колеса................................. 19
1.3.1. Радиусы колеса......................................... 19
1.3.2. Распределение напряжений в контакте с дорогой.......... 20
1.3.3. Сцепление колеса с дорогой............................. 23
1.4. Работа шипов в шине......................................... 27
1.4.1. Требования к корпусам шипов............................ 28
1.4.2. Нагрузки, действующие на шип........................... 29
1.4.3. Взаимодействие ошипованной шины со льдом............... 31
1.4.4. Износостойкость и работоспособность шипов.............. 35
1.4.5. Целесообразность применения ошипованных шин............ 37
1.5 Цели и задачи исследования................................... 42
1.6 Общая методика оптимизации................................... 44
1.7 Основные термины, определения и условные обозначения, принятые в работе.......................................... 46
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ПРОТЕКТОРА, ПРИЛЕГАЮЩЕГО К ШИПУ................................. 50
2.1 .Концептуальная постановка задачи............................ 50
2.2.Математическая постановка задачи. Обработка исходных данных 52
2.3.Построение модели............................................ 54
2.4.Пример построения картины напряженно-деформированного состояния (НДС)............................................ 61
2.5.Выводы по 2—главе............................................ 63
3. ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ ШИПОВ В
ПРОТЕКТОРЕ ШИНЫ.................................................. 64
3.1 .Расчет количества шипов на шине............................. 64
3.2.Оптимизация схемы расположения шипов в выступах протектора 67
3.2.1. Общие положения........................................ 67
3.2.2. Теоретические основы оптимизации схемы расположения шипов......................................................... 69
3.6.Практическая реализация алгоритма оптимизации. Программа «Трассировка».............................................. 73
3.7.Сравнительный анализ и пример оптимизации схемы размещения шипов на протекторе шин
Я - 620 и М - 265"8НО\УС>иЕЕН"................................ 76
3.7.1. Анализ имеющейся схемы ошиповки шин Я - 620 и
М - 265и8КО\УС)иЕЕН"....................................... 76
3.7.2. Оптимизация схемы ошиповки шины Я -620................... 78
3.8.Выводы по 3 главе.............................................. 82
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ШИПА В ВЫСТУПЕ ПРОТЕКТОРА......................................................... 83
4.1. Общие положения............................................... 83
4.2.Анализ причин нарушения работоспособности шипов в шине 85
4.3. Разработка методики лабораторного эксперимента................ 89
4.4. Разработка конструкции экспериментального стенда для исследования усталостных процессов в сопряжении шип - резина 98
4.4.1. Функционально-кинематическая схема и принцип работы стенда.......................................................... 98
4.4.2. Конструкция стенда...................................... 100
4.4.3. Последовательность подготовки стенда к проведению 102
опыта...................................................
4.5.Планирование лабораторного эксперимента....................... 103
4.6.Результаты эксперимента....................................... 106
4.7. Натурно-статистический эксперимент определения
оптимального диаметра отверстия в протекторе шины под шип... 111
4.7.1. Разработка методики эксперимента........................ 112
4.7.1.1. Требования к шипам.................................. 113
4.7.1.2. Требования к конструкции оправки для шипа........... 114
4.7.1.3. Требования к шинам.................................. 115
4.7.2. Результаты эксперимента................................. 116
4.8.Выводы по 4— главе............................................ 118
5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ НА ШИПОВАННЫХ ШИНАХ. ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ «ОК-ШИП».................................................... 119
5.1. Общие положения.............................................. 119
5.1.1. Тормозной путь автомобиля............................... 120
5.1.2. Критический тормозной путь автомобиля................... 123
5.1.3. Минимальный безопасный радиус поворота автомобиля 124
5.1.4. Динамика разгона автомобиля............................. 125
5.2.Результаты расчета динамических характеристик автомобиля 126
5.3.Программный пакет оптимизации технологических параметров ошиповки «Ок - Шип»......................................... 128
5.3.1. Базы данных по шинам, шипам и автомобилям............... 128
5.3.2. Алгоритмы и методики расчета............................ 130
5.3.3. Алгоритмы и методики вспомогательных расчетов........... 131
5.3.4. Порядок работы с программой «Ок-Шип».................... 134
5.4.Выводы по 5~ главе............................................ 136
Общие выводы......................................................... 137
Список использованной литературы..................................... 139
Приложения........................................................... 150
ВВЕДЕНИЕ
4
С каждым годом в России наблюдается рост использования ошипованных шин в зимний период времени. Все больше автомобилистов выбирают в качестве зимних шин ошипованные. За более чем полувековую историю применения шин, оснащенных шипами противоскольжения, они показали и доказали свою эффективность. Однако среди положительных сторон применения ошипованных шин существует ряд отрицательных моментов и нерешенных проблем.
Известно, что оснащение автомобильных шин шипами
противоскольжения позволяет значительно повысить коэффициент сцепления с обледенелым дорожным полотном, и как следствие этого получить ряд бесспорных положительных эффектов, а именно:
- ухменьшение тормозного пути;
- уменьшение времени разгона;
- снижение вероятности заносов;
- возможность повышения средней скорости движения;
- повышение управляемости автомобиля;
- снижение утомляемости водителя;
- экономию топлива;
- уменьшение износа автошин.
Кроме того, что не менее важно, при массовом применении шипованных автошин становится возможным отказ от применения соли и песка на дорогах в зимнее время, что улучшает экологическую ситуацию в зоне автотрасс и уменьшает коррозионное и абразивное воздействие внешней среды на детали автомобиля.
Но ошиповка шин имеет и обратную, негативную сторону. В первую очередь это повышенный износ дорожного покрытия ошипованными шинами. Существенным является и фактор пылеобразования,
5
сопутствующий износу дороги. Кроме того, шипованная автошина, как правило, более шумная при движении, а при эксплуатации автомобиля на чистом от снега и льда дорожном покрытии наблюдается некоторое уменьшение коэффициента сцепления.
Несложно заметить, что все недостатки ошиповки проявляются в случае движения автомобиля по чистой дороге, а все преимущества - при езде по льду и снегу. Устойчивое снежно-ледяное покрытие поверхности дорог имеется на ограниченных территориях Крайнего Севера. Л относительно густонаселенные районы севера и средней полосы России, как и соответствующие им по географической широте районы Европы, Азии и Америки находятся в зоне неустойчивой зимней погоды. Похолодания сменяются оттепелями, изменяется состояние дорожного полотна и, соответственно, проявляются то положительные, то отрицательные эффекты ошипованных шин. В связи с этим отношение к использованию шипов в разных странах различается от полного запрета до требования обязательного применения зимних, в основном шипованных, шин.
Предварительное изучение вопроса показало отсутствие достаточно полных теоретических и экспериментальных данных, характеризующих работу шипа в протекторе шины и взаимодействие его с дорожным покрытием. Существующие научные работы по данной теме в большей степени посвящены общим проблемам ошиповки, и носят скорее оправдывающий характер применения шипованных шин, не рассматривая такие вопросы как, например, расчет технологических параме тров ошиповки. Однако, за последние 30 лет в ряде стран проводились исследования влияния некоторых технических и технологических параметров ошиповки на эксплуатационные характеристики автомобиля, износ дорог, пылеобразование и шум. На основании опубликованных материалов (более 200 источников) можно сделать вывод о том, что до настоящего времени нет единой, общепринятой методики оценки качества и эксплуатационных
6
характеристик ошипованной шины. И как результат - производители: шипов, шин, ошиповки, опираясь на разрозненные, порой противоречивые, экспериментальные и теоретические данные, в большей мере действуют "вслепую". Стремление производителей шипованных шин улучшить сцепные свойства шины сводится, как правило, к "бездумному" увеличению количества шипов на колесе. В результате, это приводит к незначительному изменению динамики автомобиля, а отрицательное, с точки зрения износа дорог и экологической нагрузки, воздействие непропорционально возрастает.
На защиту выносятся:
1. Разработанная методика оптимизации расположения шипов на протекторе шины, обеспечивающая синтез оптимальной схемы расположения шипов, как для существующих рисунков протекторов, так и для вновь проектируемых.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований усталостного разрушения материала протектора, прилегающего к шипу, позволяющие получать эмпирические зависимости для расчета оптимальных технологических параметров процесса ошиповки.
3. Программное обеспечение оптимизации технологических и технических параметров ошиповки. Позволяет автоматизировать процесс выбора, назначения и расчета всех основных параметров технологического процесса ошиповки, с целью улучшения потребительских качеств произведенного товара (ошипованных шин).
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
7
7.7. Технологии установки шипов противоскольжения в протектор шины
Технология ошиповки шин включает две основные операции: образование глухих отверстий в протекторе и запрессовку в них шипов [74, 76, 79, 80, 81]. Кроме этого, необходимо выполнение ряда вспомогательных операций: разметка перед сверлением, подготовка и текущий ремонт инструмента, контроль качества отверстий после сверления и контроль положения шипов после запрессовки, исправление выявленных дефектов, транспортировка и хранение продукции.
Глухие (несквозные) отверстия в шашках беговой дорожки протектора для установки шипов можно получить двумя способами:
1. В процессе вулканизации беговой дорожки, непосредственно на заводе - изготовителе шин, естественно, только на "зимних" шинах. Отверстия, конечно, получаются превосходного качества, однако, требуют применения шипов строго определенных размеров. Поэтому многие фирмы ограничиваются только обозначением мест, рекомендованных для установки шипов. В связи с тем, что такая технология доступна только шинным или шиноремонтным заводам, в данной книге она не рассматривается.
2. Другим способом является сверление глухих отверстий. Оно может производится двумя, принципиально отличающимися друг от друга по конструкции инструментами: перовым или трубчатым сверлами.
Возможно сверление отверстий в резине и обычным спиральным сверлом с помощью бытовой электродрели, но говорить о качестве получаемых при этом отверстий и, соответственно, о качестве ошиповки не имеет смысла.
Перовое сверло (рис.1 Л) напоминает обычное спиральное, но с большим шагом и специальной заточкой.
Рис. 1.1. Перовое сверло со специальной заточкой
Приемлемое качество отверстий при сверлении "неркой1' обеспечивается высокооборотными малогабаритными пневмо и электросверлилками с частотой вращения сверла 16-г20 тыс. об/мин. На рис. 1.16 представлена японская пневматическая сверлильная машина иО-38. Диаметр отверстия, который должен составлять около 35% диаметра шипа, практически не отличается от размера сверла. Глубина сверления устанавливается с помощью специальной ограничительной втулки в зависимости от высоты шашек беговой дорожки протектора и типоразмера выбранного шипа. Сверление может производиться вручную или на стендах.
Рис. 1.2. Пневматическая сверлильная машина 1Ю-38
Другим не менее распространенным инструментом для выполнения отверстий является трубчатое (полое) сверло (рис. 1.3). Небольшое число оборотов, необходимое для сверления (достаточно 800-И 200 об/мин) и
9
отсутствие стружки или каких-либо других отходов резания (вырезаемая часть резины извлекается из отверстия целиком) являются бесспорным преимуществом трубчатого сверла.
Рис. 1.3. Трубчатое (полое) сверло Описанные здесь конструкции охватывают практически всю гамму инструмента, применяемого при сверлении отверстий в шинах.
Не менее ответственной технологической операцией является установка (запрессовка) шипов в шину. Наиболее массовым способом запрессовки шипов являются установка их с помощью специальных пневматических пистолетов. Самыми распространенными являются пистолеты типа А5, ЕР, ЕРК (Германия) (рис. 1.4); БСАЗОМАТ НОР (Финляндия), Ш-305, Ш-306 (Россия). Принцип действия их идентичен, поэтому рассмотрим его на примере пистолета Ш-305, внешний вид которого показан на рис.1.5, а устройство на рис. 1.6 [105].
Рис. 1.4. Пневмопистолеты для ошиновки шин фирмы ОКО: А - типаА$; б - типа ЕРК; в - типа ЕР
10
Рис. 1.5. Внешний вид пневмопистолета Ш-305 для ошиповки шин
Рис. 1.6. Устройство пневмопистолета модели Ш-305
для ошиповки шин
По каналу 28 сжатый воздух подается к золотнику. При нажатии на кнопку 24 открывается доступ воздуха во внутренний (рабочий) цилиндр 8. Поршень 2 цилиндра, перемещаясь вправо, через шток 23 давит на шип. Своим верхним фланцем шип раздвигает направляющие губки 16 пистолета, вставленные в отверстие шины, в результате чего диаметр отверстия увеличивается. При дальнейшем движении штока шип входит в отверстие. Одновременно конец штока приподнимает отсекатель 12, открывая доступ очередному шипу из приемной трубки 10 в накопительную камеру 11. В этот момент внешняя нагрузка на пистолет, осуществляемая оператором,
снимается и шток, опираясь на уже вставленный шип, вытягивает губки пистолета из зазора между шипом и резиной. Шип охватывается освобожденной резиной и оказывается запрессованным. Только после этого отпускается кнопка 24. и золотник пружиной 30 возвращается в исходное положение. При этом сжатый воздух через полость между наружным цилиндром (цилиндром возврата) 7 и рабочим цилиндром 8 и отверстия 22 в стенках рабочего цилиндра проникает в последний, перемещая поршень влево. Под действием стяжного резинового кольца 13 і*убки сходятся вместе, а отсекатель 12 опускается и перекрывает подающий канал. При дальнейшем перемещении шток освобождает шип, находящийся в накопительной камере, и тот под действием собственного веса опускается в канал, образованный тремя губками 16. Воздух, находящийся в надпоршневой части цилиндра, через кольцевой канал золотника вытесняется в выпускной канал 31, откуда отработавший воздух выходит в атмосферу или в дополнительную гибкую питающую трубку, обеспечивая перемещение находящихся в ней шипов независимо от положения трубки. Питающие трубки применяются при работе без автоматических питателей, в целях экономии времени на "перезарядку" в них закладывается по 30-^35 шипов, ориентированных верхним фланем вперед.
Для повышения производительности и удобства подачи шипов применяются подающие устройства (питатели) роторного или вибрационного типов. Роторный питатель (рис.1.7) представляет собой барабан, расположенный под углом примерно в 60 градусов к горизонтальной плоскости и вращаемый рукой или электродвигателем со скоростью 4 -^5 об/мин. Боковая стенка барабана имеет прорези шириной меньше, чем диаметр верхнего фланца, но больше диаметра корпуса шипа. При вращении барабана корпус шипа проваливается в прорезь, шип переворачивается и повисает на верхнем фланце. По мере вращения барабана провалившиеся шипы поднимаются в верхнюю точку, где специальная
12
пружинка сбрасывает их в подающую трубку. Таким образом, шипы заполняют трубку уже развернутыми в нужную сторону. По такому принципу работают подающие устройства ГЫ, (Германия) и Яоюуас (Швеция).
Рис. 1.7. Роторный питатель Особенность роторных подающих устройств состоит в том, что в них ориентируются только те шипы, у которых диаметр верхнего фланца больше диаметра головной части. Поэтому для российских шипов типа «Шл», «Шг» и других, с одинаковыми диаметрами всех фланцев, роторные питатели, подобные описанному непригодны.
Наибольшее распространение в России получили станки немецкой фирмы «OKU». Привлекает в них простота конструкции, легкость в эксплуатации и возможность работы с любым типом шипов. Кроме того, в станках этой фирмы применяются те же элементы шиповального оборудования, что и при ручной ошиповке. Таким образом, имеется возможность постепенного развития станочного парка при увеличении объемов производства без замены оборудования, а прикупая его по мере необходимости. Общий вид станка показан на рис. 1.8. Конструкция станка представлена на рис. 1.9.
13
Рис. 1.8. Станок-полуавтомат «ОКС» для ошиповки ши
Рис. 1.9. Конструкция станка-полуавтомата «ОКО» для ошиповки шин
Принцип действия станков JH-AUTOMAT1K Model A, Model. М, Model Е аналогичен описанному выше, только вместо универсальных пистолетов применяются пневмоцилиндры аналогичного принципа действия. Модели «А» и «М» могут оборудоваться лазерными прицелами, облегчающими точное попадание губок в отверстие шины, и индукционным датчиком DS-92 наполнения трубки питателя шипами. Датчик не позволяет переполняться накопительной трубке, и тем самым уменьшает вероятность попадания в нее перевернутого шипа. Станок модели "А" может работать в автоматическом режиме. При этом двумя управляющими контактами заранее определяется продолжительность рабочих циклов в зависимости от квалификации оператора. Производительность станков - 35, 23 и 15 шин в час соответственно. Питание: электроэнергия напряжением 220В и сжатый воздух давлением 0,6 МПа.
14
В 70-х годах в СССР на Лениногорском заводе «Автосиецоборудование» выпускался стенд Ш-803 [105].
Он применялся для ошиповки шин легковых и грузовых автомобилей. На стенде могли выполняться операции сверления отверстий и запрессовки шипов. Стенд позволял ошиповать как отдельные покрышки, так и смонтированные на дисках. Сверление отверстий производилось перовым сверлом электродрелью. Шипы ориентировались и подавались в пневмопистолет вибропитателем.
Примерно в то же время на Митинском опытно-экспериментальном механическом заводе был разработан автомат для ошиповки шин. В серию он не попал, т.к. в то время отечественное производство выпускало слишком мало шипов для его работы.
Подавляющее большинство стендов в той или иной степени повторяют описанные конструкции, однако, известны и оригинальные устройства. Например, фирма «Стим» (Самара) предлагает пневмопрессы моделей КШ-1, 2, 3 и полуавтомат модели ПАШ-1. Полуавтомат работает с шипами диаметром 7^8 мм с производительностью 10-5-12 шипов в минуту. Ориентацию шины осуществляют оператор. В автоматическом режиме выполняются: фиксация шины, образование отверстия, запрессовка шипа и возврат в исходное положение. Полуавтомат может крепиться к столу, верстаку, стене, занимает 0,5 м площади, и весит не более 60 кг. Для его работы нужен сжатый воздух давлением 0,5^0,6 МПа и электроэнергия напряжением 220В. Работа полуавтомата основана на пробивании отверстия и запрессовке шипа без извлечения оставшегося в отверстии столбика резины. Авторы устройства утверждают, что он перетирается и выбрасывается при колебаниях шипа в шине, не влияя на работоспособность и долговечность ошипованной шины.
1,2, Типы шипов противоскольжения
15
Шипы противоскольжения, имеющиеся в настоящее время на рынке, отличаются большим разнообразием конструкций, применяемых материалов и технологических процессов изготовления. В настоящее время различными фирмами России и зарубежных стран выпускается несколько сотен типоразмеров шипов противоскольжения: для легковых и грузовых автомобилей, мотоциклов, тракторов, велосипедов и даже ботинок [34, 48, 51, 52, 76, 81, 102]. Абсолютное большинство, за исключением только чисто спортивных шипов, имеют следующие конструктивные элементы (рис. 1.14):
- корпус с одним или несколькими фланцами;
- вставка из износостойкого материала, как правило, из твердого сплава ВК-8, закрепленная в осевом отверстии корпуса запрессовкой по конусу или пайкой, и непосредственно взаимодействующая с дорожным покрытием.
Рис. 1.14. Конструкция шипов противоскольэюения:
1 - твердосплавная вставка; 2 - нижний фланец; 3 - средний фланец;
4 - корпус; 5 - верхний фланец
Шип противоскольжения состоит из 2 деталей: корпуса и
твердосплавной вставки.
Корпуса шипов выполняют три основные задачи:
- надежное закрепление шипа в отверстии протектора;
- надежное закрепление твердосплавной вставки в корпусе;
- передача нагрузок, возникающих при контакте вставки с дорогой, на
- Київ+380960830922