ШИНЫ. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОИЗВОДСТВА

Методы разработки новых конструкций шин

Вот уже на протяжении многих десятилетий наиболее пол­но и систематически вопросами разработки новых конструк­

Ций шин занимались и занимаются ведущие специалисты НИ - ИШПа: Бидерман В. П., Бухин Б. П., Соколов С. Д., Басс Ю. П. и др.

Вначале проектирования разработчик должен поставить и ответить на следующие вопросы [486]: 1) какие характеристи­ки должна иметь сконструированная шина; 2) как будут изме­няться эти характеристики, если изменить ее конструкцию, материалы, условия нагружения и т. д.; 3) какие эксплуатаци­онные свойства будет иметь машина с конкретными шинами; 4) какие характеристики должна иметь шина, чтобы машина имела требуемые эксплуатационные свойства; 5) какими долж­ны быть конструкция и материалы шин, чтобы последняя обла­дала требуемыми эксплуатационными свойствами; 6) как со­здать оптимальную конструкцию.

Расчетно-экспериментальный метод разработки шин име­ет следующую логическую цепочку: задание конструкции шины

- физическая модель (расчетная схема) - математическая модель

- решение и получение численных результатов - проверка адек­ватности - настройка модели - практическое опробование шины.

В наиболее подробном варианте схема разработки конст­рукции шины и оценки ее работоспособности приведена в [487], (рис. 60).

В данной схеме МКЭ обозначает «метод конечных элемен­тов»; НДС - напряженно-деформированное состояние; РКК - резинокордный композит; ОКН - образец с косой нитью.

Данная схема в основных деталях повторяет вышеприве­денную логическую цепочку и содержит следующие этапы: 1) выбор конструкции шины, материалов для ее изготовления, тех­нологии изготовления и изготовление опытных образцов для расчетных данных; 2) определение НДС расчетными и экспе­риментальными методами; 3) определение режима вулканиза­ции расчетными и экспериментальными методами; 4) испыта­ния опытных шин в требуемых режимах нагружения; 5) про-

474

Выбор

Исходного

Варианта

Определение НДС изделия

Материалы

Технология

Конструкция

Расчетные

Методы

11-,

Нелинейные вязкоупру­гие свойства резин и РКК

Целевая

Функция

Изделия

Многослойные

Анизотропные

Оболочки

МКЭ

Эксперимен­

Тальные

Методы

Определение режима вулканизации

Поляризационно­

Оптическая

Расчеты тепловых потоков и температурных полей

Измерения температур в изделии при вулканизации

Квазиравновесные

Негармонические циклы

Динамические

Рис. 60. Схема оценки работоспособности шины.

Гнозирование ресурса шин с учетом условий эксплуатации и проверка принципа «равнопрочности»; 6) при необходимости корректировка пункта 1 и повторение цикла исследований.

Одним из главных элементов этой схемы является расчет механических характеристик шин, который включает почти все виды математического аппарата: системы линейных и нелиней­ных уравнений, векторный анализ, обыкновенные дифферен­циальные уравнения и уравнения с частными производными, краевые задачи, случайные процессы и математическая статис­тика, численные методы и т. п. Важным является то, что имея математическую модель можно проводить машинные экспери­менты по оптимизации конструкции покрышки, по изучению влияния изменений исходных данных на характеристики шины и автомобиля. В результате расчетов можно получить следую­щие характеристики шины данной конструкции в зависимости от условий эксплуатации, механических и термических свойств конструкционных материалов: прочность и долговечность, со­противление качению, выходные характеристики, материало­емкость, шум и другие экологические характеристики, ремон­топригодность.

Понятно, что "вручную" практически невозможно сделать все необходимые расчеты. По этой причине и у нас в России5и за рубежом созданы программы для расчетов на ЭВМ. С появлени­ем мощных персональных ЭВМ в НИИШПе создан на языке "Фор - тран-77" ряд специализированных программ для компьютеров типа РС1ВМ, например, программа "АПР - ПЕРСОНАЛ" может быть использована в конструкторской практике как самостоятель­но, так и в рамках разрабатываемых систем автоматизации про­ектирования пневматических шин - САПР - Ш. Как и предыду­щие программы, данная программа с достаточной для практики точностью позволяет рассчитать основные механические харак­теристики шин радиальной конструкции:

1 - габариты накаченной шины;

2 - максимальные и минимальные значения напряжения в цик­лах нагружения корда каркаса и брекера и резины протектора;

3 - радиальный прогиб шин под нагрузкой;

4 - длину контакта с дорогой;

5 - боковую и угловую жесткости;

6 - усилия в бортовых кольцах от внутреннего давления и догрузку колец при обжатии;

7 - характеристики бокового увода;

8 - интенсивность работы трения в протекторе при каче­нии с уводом.

В САПР - шина данная программа может быть использова­на в процедурах "Оптимизация напряженно-дсформированно­го состояния и внутреннего давления в шине", "Оценка влия­ния конструктивных характеристик на работу сил трения в кон­такте", "Оценка влияния конструктивных характеристик на бо­ковую, угловую и крутильную жесткости", "Оценка влияния конструкции шины на характеристики бокового увода".

В рамках иерархической системы моделей шины, состоя­щей из 3-х этапов: определения динамической нагруженности, определения изменения геометрии и определения напряжений и деформаций элементов шины, данная программа применяет­ся на втором этапе расчетов. Этот этап предусматривает вычис­ление перемещений и изменений кривизны поверхности шины, усилий в нитях корда, а также жесткостных характеристик и параметров контакта с опорной поверхностью.

САПР - шина успешно используется в НИИШПе для проек­тирования семейства шин [489], то есть нескольких подобных шин, образующих размерный ряд (10.00Р20, 11.00Р20, 12.00Р20). Структура САПР - шина представлена на рис. 61.

Внутри семейства должно обеспечиваться постоянство или подобие следующих параметров: рисунка протектора, типа

Шины, формы профиля, соотношений геометрически подобных профилей, конструкций каркаса и брекера, назначения по усло­виям эксплуатации.

Проектирование семейства шин состоит из шести этапов и начинается с разработки технического задания (рис. 62).

Дальнейший ход проектирования ясен из схемы. На 3-ем этапе в результате проектного расчёта выбранных прототипов семейства шин (третье или четвёртое приближение) уточняются параметры профиля за счёт чего улучшаются эксплуатационные характеристики шин: уменьшаются коэффициенты сопротивле­ния качению, диапазон изменения температур (113-120 °С вмес­то 110-158 °С при скорости 70 км/ч и 166-177 °С вместо 161-195 °С при скорости 100-110 км/ч), суммарная удельная работа тре­ния в зоне контакта. За счёт этого у спроектированных шин по сравнению с прототипами уменьшается интенсивность износа протектора шин и увеличивается ресурс шин по износу. Показа­тели прочности семейства спроектированных шин будут выше, чем у прототипов. В таблице 7.1 приведены показатели износос­тойкости спроектированного по предложенному методу семей­ства грузовых шин 10.00Р20 - 12.00Р20. В таблице 7.1 в скобках приведены аналогичные показатели для прототипов.

Если ещё раз обратиться к схеме оценки работоспособнос­ти шины, то можно увидеть, что расчётные методы можно про­водить либо базируясь на представлении шины многослойной анизотропной оболочкой вращения сложной геометрии, либо разбивая шину на отдельные небольшие элементы, используя метод конечных элементов (МКЭ). Пожалуй, с появлением мощ­ных расчётных средств, метод МКЭ можно признать более перс­пективным, однако возможности первого направления далеко не исчерпаны и примером этого может служить работа, проведён­ная конструкторским отделом ОАО "Нижнекамскшина" совмес­тно с учёными НИИ КГШ [490] по установлению механических особенностей шин с регулируемым внутренним давлением.

Показатели износостойкости спроектированного семейства грузовых шин 10.00Р20 - 12.00Р20

Пневматические шины с регулируемым внутренним дав­лением эксплуатируются на многочисленных геолого-разведоч - ных, буровых и других транспортных средствах. Создание та­ких шин представляет собой сложную проблему, так как необ­ходимо обеспечить высокую работоспособность и заданные выходные характеристики в широком диапазоне изменения на­грузок. Для исследования нагруженности элементов таких шин
была использована математическая модель шины, представля­ющая собой слоистую геометрически нелинейную моментную анизотропную оболочку подверженную одновременному дей­ствию внутреннего давления Р и внешних эксплуатационных нагрузок [491]. Расчёт напряжённо-деформированного состоя­ния шины осуществлялся путём минимизации функционала полной энергии оболочки Э:

+ Эп - J (q^i + q2U2+ Яз^з) dFk, Ря

Где величины с индексами а, £, и, я - компоненты напря­жений, деформаций, перемещений и интенсивности внешних нагрузок; Эп - энергия деформации протектора.

Э„ =~ I h„ [Е„є33 + Gn (Y! + Y2)]dFc,

2 Fc

Где - Ь, Е, в - высота протектора, модуль упругости и сдви­га материала протектора; Рк, РЧ ,РС - поверхность каркаса; пло­щадка по которой действуют внешние нагрузки и поверхность контакта; у,, у2 - компоненты сдвиговых деформаций протекто-

Pa.

С помощью соотношений (52, 53) проанализировано на­пряжённо - деформированное состояние радиальной комбини­рованной шины диаметром 1260 мм и шириной профиля 425 мм, эксплуатирующейся при внутреннем давлении от 80 до 550 КПа и нагрузке Q, достигающей 30 КН.

При создании шины профиль её поперечного сечения был оптимизирован, а в качестве критерия оптимизации использо­ван минимум коэффициента сопротивления качению f:

<3 <3

Где Р - сила сопротивления качению [492], К - гистерезис - ные потери материала; Л£т - амплитуда интенсивности дефор­маций, определяемая как разность интенсивностей деформа­ций элементов шины при нагружении внутренним давлением и внешней нагрузкой.

Д8Т= | £?- £ | (55)

Интенсивность деформации определяется по следующей зависимости

И может служить обобщённой характеристикой деформа­ционного состояния. Оптимизация формы поперечного сече­ния осуществлялась методом последовательных приближений. В качестве первоначальной формы была принята классическая форма, определяемая по известным соотношениям [493], в даль­нейших расчётах форма поперечного сечения корректировалась. Ниже в таблице 7.2 представлены результаты расчётов коэффи­циента сопротивления качению для классической и оптималь­ной форм профилей при нагрузке С? = 30 КН и внутреннем дав­лении в шине в диапазоне 80-550 КПа.

Таблица 7.2

Значения коэффициента сопротивления качению

Как видно из этой таблицы, классическая форма профиля имеет заметные преимущества при работе на пониженном дав­лении; при давлении выше 100 КПа предпочтение имеет опти­мальный профиль, форма которого была близка к форме реко­мендованного 11СОТ [494], однако в бортовой зоне она имела заметные отличия. Очевидно, что единой оптимальной формы профиля во всем диапазоне нагрузок быть не может, поэтому поиск её следует производить для основного режима нагруже­ния, наиболее характерного для работы транспортного средства.

Для анализа деформационного состояния шины, на рис. 63- 66 приведены характер распределения амплитуды интенсивно­сти деформации на наружной поверхности каркаса, а также из­менения интенсивности деформации за оборот колеса для вер­шины шины. Кривая 1 на этих рисунках соответствует класси­ческому профилю, а кривая 2 - оптимальному. Преимущества оптимального профиля при повышенных значениях внутрен­него давления очевидны, также как и очевидно преимущество классического профиля при низком давлении. Анализируя на­пряжённо-деформированное состояние шины, обратим внима­ние на характер изменения интенсивности деформации за обо­рот колеса, который зависит от конструктивных факторов шины и режимов нагружения (рис. 65-66). Эти характеристики во многом определяют работоспособность шины. Дело в том, что гистерезисные потери в материале и усталостная долговечность определяются экспериментально и, как правило, при гармони­ческом режиме нагружения. Импульсный характер воздействия нагрузки, как видно из рис. 65-66, составляет ~ 1/6 от периода качения колеса. Известно, что величина потерь при гармони­ческом режиме в 1,5-2 раза меньше, чем при импульсном. К этому следует также добавить, что на величину гистерезисных потерь и на усталостную долговечность существенную роль ока­зывают деформации £тРо и £т°. Знание уровня напряженно-де - формированного состояния во всём диапазоне нагружений

Рис. 66. Изменение интенсивности деформации за оборот колеса для вершины оптимального профиля шин.

1,2- внутреннее давление 80 и 550 кПА соотвественно

Шины позволяет либо сформулировать требования к создаваемым материалам, либо подобрать нужный материал, что в конечном счёте обеспечит высокую работоспособность конструкции в це­лом. Для демонстрации справедливости используемой матема­тической модели на рис. 67-68 показаны расчётные и экспери­ментальные данные, демонстрирующие зависимость прогиба шины (рис. 67) и среднего контактного давления (рис. 68) от ве­личины внутреннего давления в шине при постоянной нагрузке (5 = 30 КН. На этих рисунках кривая 1 соответствует эксперимен­ту, а кривая 2 - расчёту. Совпадение данных вполне удовлетвори­тельное, однако нужно всё же заметить, что сравниваемые вели­чины являются интегральными характеристиками.