Исследование характеристик пневматических шин для прогнозирования их износостойкости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

В этих работах всесторонне изучены явления в контакте шин с дорогой, но они не содержат аналитических зависимостей, связывающих напряжения и перемещения в зоне контакта с реальной конструкцией шины и свойствами ее конструкционных материалов. Поэтому постановка такой задачи, получение теоретических зависимостей, связывающих деформации элементов беговой части шины с напряжениями и проскальзываниями в контакте является актуальной, так как позволяет установить характеристики шин, по которым конструктор может оценивать влияние конструктивных изменений и свойств материалов шины на ее износостойкость. 4

Постановка этой задачи и начало работ в ФГУП "НИИШП" по данной теме откосится к 1965 году. Работа выполнялась до 1985 года при участии научного руководителя отдела механики шин (ОМШ), д.т.н., профессора кафедры "Динамика и прочность машин" МГТУ им. Баумана ВЛ Бидермана зававедующего ОМШ д.т.н. Б.Л.Бухина и заведующего лабораторией прочности ОМШ к.т.н. |В.А. Пугина1 В последующие годы исследования по теме диссертации соискатель продолжала самостоятельно.

Были сформулированы следующие цели и задачи работы:

1. Исследование общих закономерностей связывающих деформации каркаса и протектора пневматической шины с силами и перемещениями в зоне контакта.

2. Установление основных характеристик пневматических шин для прогнозирования износостойкости протектора и их определение.

Поставленные задачи выполнялись совместно с сотрудниками ФГУШНИИШГО-При выполнении работ привлекались разработанные ранее и внедренные в институте методы расчета шин и экспериментальные методики для тензометрических, стендовых и эксплуатационных испытаний шин.

Основная часть экспериментальных исследований на легковых и грузовых шинах проводилась соискателем лично на тензометрическом стенде при прокатывании шин с постоянной скоростью под нагрузкой по плоской поверхности плиты, имитирующей дорогу. Для измерения деформаций элементов шин применялась методика и резинопроволочный датчик, разработанные В.А. Пугиным. Для измерения контактных напряжений применялись методика и датчик, разработанные В.И. Новопольским и О.Б. Третьяковым.

Объектами исследований были легковые и грузовые шины диагональной и радиальной конструкции. 5

Научная новизна работы заключается в следующем. Были установлены общие закономерности и получены аналитические зависимости, связывающие деформации каркаса и протектора шины с напряжениями и перемещениями в зоне контакта, впервые учитывающие реальную конструкцию шины. Установлены основные характеристики пневматических шип для прогнозирования износостойкости протектора.

Проведено исследование шин с принципиально различной конструкцией каркаса (диагональных, диагонально-опоясанных и радиальных) и показано, как влияет конструкция каркаса на показатели, определяющие износостойкость. Разработана оригинальная конструкция диагональной шины с уменьшенными деформациями каркаса и улучшенной износостойкостью протектора.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные аналитические зависимости, связывающие напряжения и перемещения в зоне контакта с реальной конструкцией шины, внешними силами, которые через нее передаются, и свойствами материалов дают понимание механических процессов в контакте. Они использованы при разработке методик прогнозирования износостойкости и потерь на качение, внедренных в практику конструирования шин в институте и на шинных предприятиях.

Основные результаты доложены на семи научно-технических конференциях и симпозиумах, проводимых в ФГУП «НИИШП»: юбилейной научно-технической конференции. «Основные научные проблемы шинной промышленности» (1968 год): шестом симпозиуме. «Проблемы шин и резинокордных композитов. Математические методы в механике, конструировании и технологии» (1995 год); четвертой Российской научно-практической конференции резинщиков. «Сырье и материалы для резиновой промышленности. Настоящее и будущее» (1997 год); 6 восьмом симпозиуме. «Проблемы шин и резинокордных композитов. Дорога, шина, автомобиль» (1997 год); десятом юбилейном симпозиуме. «Проблемы шин и резинокордных композитов» (1999 год); одинадцатом симпозиуме. «Проблемы шин и резинокордных композитов» (2000 год); двенадцатом симпозиуме. «Проблемы шин и резинокордных композитов» (2001 год).

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах: в сборнике статей под общей редакцией П.Ф. Баденкова, В.Ф. Евстратова, М.М. Резниковского «Резина - конструкционный материал современного машиностроения», издательство «Химия»,

- в 3-х сборниках научных трудов по механике, НИИШП; в 4 журналах «Каучук и резина»; в 4 текстах опубликованных докладов и 2-х тезисах на научно-технических конференциях и симпозиумах; получено в соавторстве авторское свидетельство.

В настоящем докладе обобщены результаты работ, выполненных соискателем совместно с сотрудниками ФГУП «НИИШП».

Доклад содержит следующие разделы:

1. Общие закономерности, связывающие деформации элементов беговой части шины с напряжениями и проскальзываниями в контакте при свободном качении, при передаче окружной и боковой сил.

2. Основные характеристики пневматических шин, необходимые для прогнозирования износостойкости протектора и их определение. 7

3. Исследование неравномерности износа легковых радиальных шин и характеристик для ее оценки.

4. Исследование влияния конструкции каркаса на характеристики, определяющие износостойкость протектора.

5. Разработка и исследование конструкций диагональных шин с уменьшенными деформациями каркаса к улучшенной износостойкостью протектора.

6. Методика прогнозирования износостойкости протектора радиальных шин на стадии проектирования и ее место в блоке расчетного анализа системы САПР радиальных шин.

1. Общие закономерности, связывающие деформации элементов беговой части шины е напряжениями и проскальзываниями в контакте при свободном качении и при передаче внешних окружной и боковой сил

Из работ исследователей напряженно-деформированного состояния зоны контакта пневматических шин следует, что характер распределения и величина нормальных, окружных я меридианальных касательных напряжений, уравновешивающих внешние действующие силы, определяются режимом на-гружения, коэффициентом сцепления, конструктивными особенностями шин и свойствами их материалов.

Протектор пневматической шины изнашивается под действием этих напряжений и проскальзываний. В контакте рассеивается механическая энергия, которая идет на отрыв частичек резины от массива протектора. Скольжение и потери энергии на истирание резины сильно зависят как от режима качения шины, так и от свойств опорной поверхности. Изучение различных механизмов износа протектора в эксплуатации позволило установить, что для усталостного износа, вызванного многократными деформациями резины на микронеровностях 8 опорной поверхности, характерного для усовершенствованных дорог группы А, объем истертой резины в первом приближении пропорционален удельной работе сил трения при проскальзываниях в контакте.

В работах Шалламаха и Торнера также нашли экспериментальное подтверждение зависимости, полученные ими в предположении, что объем истертой резины прямо пропорционален работе трения при проскальзываниях в контакте. Решающий вклад в износ вносят проскальзывания и работа трения при несвободном качении колеса, т.е. при воздействии внешних боковых и окружных сил.

В данной работе оценивается износостойкость шин по удельной работе трения в контакте и при сопоставлении различных конструкций и условий нагружения считается, что чем больше удельная работа трения, тем выше износ протектора.

Авторами экспериментальных работ было замечено наличие связи между напряженно-деформированным состоянием элементов беговой части шины и действующими силами в зоне контакта.

Аналитическое исследование этого явления проводится соискателем в работах [1,2].

Приняты гипотезы и ограничения: —• рассматривается медленное качение шины по плоской опорной поверхности; резина считается линейно-упругим несжимаемым материалом, для которого выполнняется закон Гука (линейные соотношения между напряжениями и деформациями); принят принцип суперпозиции (суммарное воздействие есть сумма воздействий составляющих); элементы протектора сильно расчленены (в пределе представляют «щетку»), работают на сдвиг независимо в каждой точке, т.е. деформации одной точки не влияют на состояние другой. Жесткость каждого элемента соответствует жесткости элемента протектора в реальной шине.

Свободное качение шины рассматривается в работах [1,2].

Напряжения, действующие в контакте шины с дорогой (рис.1) можно условно разделить на напряжения, появляющиеся в контакте накаченной шины, нагруженной радиальной нагрузкой при свободном качении (нормальные q, касательные окружные г,, касательные меридиональные тт) и дополнительные боковые Дту и окружные Дт, касательные напряжения, возникающие в контакте при действии внешних боковых сил и окружных сил (от действия ведущего или тормозного момента).

Касательные напряжения возникают в контакте в результате изгиба беговой дорожки в зоне контакта, где под действием радиальной нагрузки кривизна беговой части шины уменьшается (протектор прижимается к плоской опоре). При этом наружные слои шины, и прежде всего протектор, сжимаются, внутренние (каркас) растягиваются. В результате этого элементы протектора перемещаются в направлении к центру контакта шины с дорогой до тех пор, пока деформирующие силы не будут уравновешены силами трения протектора относительно дороги.

Элемент протектора связан с одной стороны с наружным слоем каркаса (брекера), а с другой стороны с дорогой. Его основание, прилегающее к каркасу, смещается вместе с ним, а с дорогой он связан силами трения. Деформации каркаса заданы. При качении шины каркас деформируется и происходит его смещение (S) относительно дороги, которое приводит к деформациям сдвига элемента протектора (Л) я появлению касательных напряжений в плоскости контакта (г).

На входе в контакт выступы протектора жестко сцеплены с дорогой, сдерживаются силами трения, упруго деформируются и движутся вместе с ней до тех пор, пока касательные напряжения не превысят силу трения скольжения, определяемую законом Кулона. Скольжение выступов протектора наступает

10

Рис.1. Распределение контактных напряжений в разных сечениях площади контакта ведомого колеса: а — нормальные напряжения; b — касательные окружные; в— касательные меридиональные; 1— контур площади контакта; 2 — эпюра распределения напряжений по экватору; 3, 4 — эпюры в окружных сечениях по краю беговой дорожки; 5 — эпюра в меридиональном сечении по середине площади контакта;

6 — эпюра в меридиональном сечении у входа в контакт; 7, 8 — точки входа и выхода элементов протектора

11 при условии равенства касательных напряжений произведению контактного давления на коэффициент сцепления. С появлением скольжения касательные напряжения зависят от коэффициента сцепления и изменения контактного давления на выходе из контакта.

В работах [1,2] получены общие зависимости для определения смещений каркаса относительно дороги в окружном и меридиональном направлениях при свободном качении (рис.2,3):

Учитываются деформации каркаса и изменение кривизны на входе в контакт и на выходе из контакта, которые связаны с распределением контактных давлений. При известных смещениях, равных в области сцепления деформациям сдвига элементов протектора и известных жесткостях при сдвиге выступов протектора в окружном и меридиональном направлениях получены зависимости для определения окружных (ц) и меридиональных (Тщ) напряжений в контакте где G — модуль сдвига протекторной резины; ho—высота вьт ступа; у/; и щкоэффициенты, учитывающие отличие напряженного состояния выступа от чистого сдвига (зависят

1)

3)

12 от формы и размеров выступов); qo, q — нормальное контактное напряжение на входе и в любой точке контакта соответственно, st, sm — деформации каркаса в окружном и меридиональном направлении; х, у — расстояния от входа в зону контакта и от продольной оси контакта соответственно; Ro — свободный радиус колеса; Rk —- радиус качения колеса; у/2 — коэффициент увеличения жесткости выступа; Sm — смещение каркаса в меридиональном направлении; Ст—жесткость при сдвиге выступа в меридиональном направлении.

Полученные зависимости устанавливают связь между касательными напряжениями и геометрическими и жесткостны-ми параметрами элементов протектора, деформациями каркаса и распределением контактного давления при качении шин. Экспериментальная проверка проводилась на диагональных легковых шинах (на 6,00-16 в работе [1] и на 6,70-15 в работе [2]). Для этого были экспериментально получены эпюры измерения контактных давлений, деформации каркаса при качении, радиус качения шины, размеры контакта с отпечатков шины, жесткость на сдвиг выступов протектора и т.д. Получено удовлетворительное совпадение рассчитанных по формулам значений с фактическими касательными напряжениями, которые также были получены экспериментально.

В тех же работах рассматриваются условия возникновения проскальзываний выступов в контакте и получены дифференциальные уравнения для их определения.

С At

АС2AmdS +C2AtdS -<р2qdq] (5) vm ш t i >

С2 AmdS +c2 AtdS -<p2qdq (б) m ml t > v da =■ I

3 . 2 . 2

С Am +С At m „ <

С Am m da =•

СЪ Am1 +СЪ At2 m m m t

13

Рис.2. К определению перемещений и касательных сил в окружном направлении.

О — угол между нормалью к поверхности каркаса и вертикальной плоскостью; St — смещение каркаса относительно дороги; И — высота рисунка протектора.

Рис.3. К определению перемещений и касательных сил в меридиональном направлении:

Sm —- меридиональное смещение каркаса относительно дороги; ае — угол между нормалью к поверхности каркаса и плоскостью экватора шины

14

Численным интегрированием дифференциальных уравнений (5,6) по пути точки в области проскальзывания находится величина проскальзывания, а затем и удельная работа трения для данной точки за время нахождения в контакте.

Передача окружной силы

Для расчета окружных касательных напряжений в случае нагружения колеса окружной силой, можно применить формулу (3), так как экспериментально показано, что при этом проскальзывание происходит лишь на небольшом участке контакта. Поэтому полная окружная сила Pt (тяговая или тормозная) может быть определена интегрированием выражения (3) по всей площади контакта: где F— площадь контакта; Ъ— половина ширины контакта; у/з— коэффициент, равный отношению длины выступов к длине контакта в данном окружном сечении; х*— длина полосы контакта в этом сечении.

Эта зависимость позволяет получить выражение для определения радиуса качения шины при качении без буксования, в которое входят геометрические характеристики, модуль сдвига резины протектора и окружные деформации каркаса при качении.

P=\\cdF=l\b l JJ / к Jo F

R = к

15

Если не учитывать проскальзывание и влияние окружного усилия на размеры площади контакта и распределение нормального контактного давления, радиус качения линейно зависит от внешней окружной силы Pt и изменение радиуса качения составляет

АЛ* =7 Р

Gxk^з с!

9) dy

Возникающие в этих условиях при приложении окружной силы дополнительные окружные касательные напряжения изменяются по длине контакта по линейному закону от нуля на входе в контакт до максимума на выходе.

Л г,

Ptx

Г Ч> х2

Wo

10) о

Формулы (9) и (10) получены в предположении, что изменение деформаций каркаса не влияет на величину Дт> . Это справедливо для радиальных шин и грузовых диагональных шин. Для легковых диагональных шин, где изменение деформаций от действия внешних окружных сил существенно, это влияние нужно учитывать.

Исследование деформаций каркаса et в зоне контакта при качении показало, что при свободном качении кривые изменения окружных деформаций слоев каркаса симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через середину контакта шины с дорогой. При качении с тяговым моментом происходит изменение окружных деформаций: на входе в контакт окружные деформации сжатия увеличиваются, а на выходе уменьшаются (рис. 4).

Среднее значение изменения окружной деформации каркаса на входе в контакт на единицу окружного усилия Де/Р/ для

16

Зона шпаки 1 бо чо го 0 го чо бо \ч / J \ Угол поборота, V* /У \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ N ; / 1 1 1 / / / 2\ V, k J 1 * 5 | /г \ /' \ / / / 4 - йл 7 5 N

Рис.4. Влияние тягового момента на окружные деформации каркаса шины 6,70-15 при Q=480 кгс; р=1,8 кгс/см2 (--свободное качение,-качение с М=90 кгм).

А нфгс

Топщим протектора, т

Рис. 5. Зависимость коэффициента окружной эластичности X шины 6,70-15 от толщины протектора.

17 грузовых радиальных шин составляет 0,5*10~~кгс , для диагональных грузовых 1,0*10'5кгс', а для диагональных легковых 7,0*10'5кгсл при эксплуатационном давлении и нагрузке.

Общее выражение для определении коэффициента окружной эластичности шин имеет вид (9) лк л

2Ra j<rZx (д<?//х

Л ■ х Р лкГ!

Wo G%x2kb'

И)

С учетом результатов экспериментальных исследований для грузовых диагональных шин и радиальных шин коэффициент X можно определить, полагая первое слагаемое равным нулю. Для диагональных легковых шин: Я

2 SkRо

3 Р,

RA%

ОхгЧф'

12)

Рассчитанное по формуле (12) изменение коэффициента окружной эластичности от толщины протектора показан на рис. 5.

Передача шиной боковой силы

Общая боковая сила Ру в контакте с дорогой уравновешивает внешнюю боковую силу, приложенную к ободу колеса.

При малых углах бокового увода 8 проскальзывания малы и зависимость между боковой силой и углом увода д линейна.

Ру=ку8:

13) где ку — коэффициент сопротивления боковому уводу. Для приближенной оценки касательных напряжений и проскальзываний принято, что зона скольжения мала, связь между боковыми смещениями и боковой нагрузкой линейна, форма контакта близка к прямоугольной и жесткость протектора не меняется по ширине беговой дорожки. В этом случае

18 дополнительные касательные напряжения линеино увеличиваются при движении от входа в выходу из контакта

Дгу=^-, (14) РУгЧ где F — площадь, a x.k — длина зоны контакта. Максимальное значение Дт уна выходе из контакта составляет

2 Р

15)

FV з

Вблизи выхода из контакта значение касательной силы достигает силы сцепления и в связи уменьшением нормального контактного давления в этой зоне элемент протектора начинает проскальзывать. Величина проскальзывания определяется приближенно, в предположении, что скольжение происходит равномерно на конечном участке контакта аб=5хк. (16)

Полагается, что изменение нормального контактного давления на выходе из контакта происходит линейно и определяется удельная работа трения в контакте при действии боковых сил: аг^^.М, (17)

2 Fij/^ В у/з где В — ширина зоны контакта.

Используя зависимость (17), можно получить выражение для удельной работы трения для режима работы шины с заданной боковой силой или заданным углом увода. Если сравнивать шины в двух этих режимах, то результаты расположатся в обратной последовательности.

19

Таким образом, получены общие закономерности, связывающие деформации каркаса и протектора с касательными напряжениями и смещениями в зоне контакта шины с дорогой при свободном качении шины и при восприятии окружных и боковых сил, которые позволяют установить зависимость между конструктивными параметрами шины, свойствами конструкционных материалов и удельной работой трения в контакте, характеризующей износостойкость протектора.

Экспериментальная проверка полученных теоретических закономерностей и исследование легковых и грузовых шин различных конструкций проведена на тензометрическом стенде, разработанном и изготовленном в институте, и предназначенном для исследований деформированного и нагруженного состояния шин, и изучения взаимодействия шин в контакте с дорогой тензометрическими методами при медленном прокатывании шин по металлической плите стенда.

Анализ распределения напряжений в контакте при свободном качении позволяет устанавливать опасные зоны с точки зрения износа протектора, например, определять зоны наибольших меридиональных касательных напряжений, вызывающих повышенный неравномерный износ протектора по ширине беговой дорожки, а также устанавливать появление дополнительных окружных касательных напряжений в отдельных сечениях по ширине контакта из-за неправильного выбора кривизны беговой дорожки шины.

Для экспериментального исследования коэффициента сопротивления боковому уводу под руководством В.А. Пугина было разработано специальное устройство к тензометрическому стенду для измерения боковых сил, возникающих при качении шины под углом к продольной оси плиты.

Для анализа влияния радиуса качения Rk и его изменения от режима нагружения была разработана расчетно-экспериментальная методика. Для шин разных размеров и конструкций [6,7] получены графики зависимостей радиуса качения от

20 параметра Q/Bi2p характеризующего относительный прогиб шины (Q - нагрузка на шину, В8 - ширина профиля, р - внутреннее давление) (рис.6). Проводится оценка влияния на Rk изменения давления (Хр = d R/Jdp) и нагрузки (Xq = d RrfdQ). m 0,1 0,3. 0,5 0,7 0,9 fj 1.3 a/B2p

Рис. 6. Зависимость радиуса качения грузовых шин от параметра Q/B2,p\

1—260—508 модель И-252Б расчет (—■) и эксперимент (°);

2—260—508 модель И-Н99 расчет (—) и эксперимент (--).

21

2. Основные характеристик» пневматических шин, необходимые для прогнозирования износостойкости протектора и их определение

Решающий вклад в износ вносит работа трения при несвободном качении колеса, т.е при воздействии внешних боковых и окружных сил. Для оценки среднего по ширине беговой дорожки шины износа протектора приняты показатели, характеризующие работу трения в контакте за один оборот на единице площади выступов при действии боковой силы Рб (удельную работу трения А б) и окружной силы Р (Ам).

Величина средней удельной работы трения в контакте при действии боковой силы Аб определяется в предположении, что падение контактного давления на выходе из контакта, а также зависимость между боковой силой Ру и углом увода линейны при малых значениях угла увода 5 , описывается следующим соотношением: у т нас где В - ширина зоны контакта, ¥нас - коэффициент насыщенности рисунка протектора, Ку - коэффициент сопротивления боковому уводу (при малых значениях угла увода (Ку - Ру/ 5)

Коэффициент сопротивления боковому уводу является., важной характеристикой, определяющей износостойкость шин. Более всего он зависит от геометрических и жесткостных свойств протектора и изгибной жесткости брекера. Изгибная жесткость брекера в свою очередь является функцией следующих параметров: модуля упругости корда брекера, числа слоев в брекере, плотности корда, угла наклона нитей в брекере.

Влияние протектора на коэффициент сопротивления боковому уводу можно приближенно оценить из выражения: к GX\BWmc 2(h^r+hj где К„р - доля протектора в величине коэффициента сопротивления боковому уводу, G - модуль сдвига резины протектора, В - ширина контакта, Хк - длина контакта, унас - коэффициент насыщенности рисунка выступами, hpuc - высота рисунка, h„ - толщина подканавочного слоя, у/ - коэффициент рисунка протектора в меридиональном направлении характеризует отличие напряженного состояния выступа протектора от чистого сдвига. Коэффициент ц>> 1 и зависит от отношения высоты рисунка протектора к длине стороны в направлении действия силы. В общем случае он отличается от единицы и может быть определен через геометрические параметры элементов рисунка протектора по зависимостям, полученным В.Л. Бидерманом для резиновых амортизаторов. Так, например, для элемента с прямоугольным сечением h2 ш = 1+

3 В

2 ' где

20)

5/ - длина стороны в направлении действия силы Для ромбического сечения: у/ = 1 +

2 h рис В

21)

В2 - длина диагонали ромба в направлении действия силы, величины В, В2, у/нас, hpuo hn - задаются конструктором для анализируемого варианта шины.

Удельная работа трения при действии окружной силы (момента) Ам оценивается по формуле:

2?

А,р;я

22) где Р, - окружные силы от действия ведущего или тормозного момента;

X - коэффициент окружной эластичности шины;

R0 - расстояние от наружного слоя брекера до оси вращения.

Коэффициент окружной эластичности определяется по формуле:

Gyr^XlB

23)

Формула для расчета удельной работы трения при действии внешних окружных сил имеет вид: 2Р(2 {hpucif/x +hn)

24)

GF выст

Поскольку конкретные значения боковых и окружных сил в реальном режиме работы шины постоянно меняются, но известно, что в среднем они пропорциональны нормальной нагрузке на колесо Q, то вместо Ру и Pt в выше приведенные формулы можно подставить нагрузку на колесо. Тогда конкретные работы трения Аб и Ам для конкретных сил Ру и Pt будут пропорциональны следующим показателям износостойкости:

Аб,д~0?/КуВу;нас (25)

Ам,д - 0"2И /С(В¥насХ/ (26)

Последняя формула упрощается, если принять во внимание, что Q / ( ВцгтсХк)) = — среднее контактное давление в отпечатке.

24

Тогда:

Am,q~<? 2h/G

27)

Суммарная работа трения при действии заданных внешних сил определяется суммированием составляющих:

Приведенные выше характеристики позволяют оценивать среднюю износостойкость сравниваемых вариантов шин при условии, что износостойкость резин не меняется, а выигрыш в износостойкости протектора предполагается за счет повышения модуля протекторной резины и конструктивных изменений шины.

Если при прогнозировании эксплуатационной интенсивности износа протектора опытных шин (Ion) требуется учесть относительную износостойкость протекторных резин ('ior/hmЛ определенную лабораторными или стендовыми методами, то где 1эт - экспериментальное значение интенсивности износа протектора эталонной шины,

А от Аэт - суммарная работа трения при действии внешних сил для опытной и эталонной шин соответственно.

Равномерность износа по ширине беговой дорожки может оцениваться качественно по характеру распределения контактного давления поперек отпечатка. Такая оценка является приближенной, при этом благоприятным считается то распределение контактного давления, которое имела эталонная шина, показавшая наиболее равномерный износ по данным износных испытаний.

А =Аб + А.

-м

28)

Ion = 1эт (io/hm) (Аоп/Аэт),

29)

25

Для характеристики упругих свойств протекторной резины принят один параметр - модуль сдвига резины G при малых деформациях. Проведенное теоретическое и экспериментальное исследование показало, что свойства протекторных резин влияют на все виды напряженно-деформированного состояния и характеристики, определяющие износостойкость протектора. Это влияние различно для шин разных размеров (легковых и грузовых) и разных конструкций (диагональных и радиальных).

Свойствами протекторных резин определяются кроме износостойкости такие выходные характеристики шин, как сопротивление качению и сцепление с дорогой. В связи с этим возникает необходимость поиска оптимального сочетания этих свойств. С этой целью совместно Л.П. Горской разработан алгоритм, позволяющий провести оптимизацию свойств протекторной резины [4].

В задачу соискателя входило разработка ограничивающего критерия, обеспечивающего заданный уровень износостойкости протектора. Решающий вклад в износ вносят боковые силы, действующие на колесо. Поэтому в качестве критерия было выбрано соотношение интенсивности износа протекторной резины I, определенной лабораторными или стендовыми методами, к коэффициенту сопротивления боковому уводу Ку (I/Ку) .

Разработанный алгоритм и компьютерная программа позволяют проводить оптимизацию при следующих условиях: критерий - минимальные потери энергии при свободном качении шины и при качении с действующим крутящим моментом и боковой силой и ограничениях, обеспечивающих заданный уровень износостойкости и коэффициента сцепления с мокрой дорогой.

26

3. Исследования неравномерности износа легковых радиальных шин и характеристик для ее оценки

Из практики конструирования шин известно, что при неудачном выборе конструкции возможен более интенсивный износ по краям беговой дорожки, либо наоборот по центру при эксплуатации шин. Первые испытания отдельных конструктивных вариантов легковых шин с металлокордным брекером показали, что при достаточно высокой износостойкости протектора износ по краю беговой дорожки у этих шин, как правило, значительно выше, чем в центральной части. Задача повышения равномерности износа легковых радиальных шин с целью более полной реализации преимуществ радиальной конструкции шин по сравнению с диагональной по износостойкости протектора стала особенно актуальной. Возникла необходимость в разработке показателей для предварительной оценки равномерности износа в процессе отработки шин.

Основные результаты исследований по этой проблеме обобщены в работе [9].

Очевидно, что в этом случае определяющим фактором является не средняя работа трения, а распределение ее величины по ширине зоны контакта, которое в основном зависит от распределения меридианальных и окружных деформаций брекера по его ширине, формы зоны контакта, определяемой кривизной беговой дорожки, жеспсостей элементов рисунка протектора.

Одной из причин неравномерного износа протектора является возникновение дополнительных окружных касательных сил в различных продольных сечениях контакта шины с дорогой, которые могут возникнуть и при отсутствии внешней окружной силы.

Поскольку беговая дорожка протектора имеет определенную кривизну в поперечном направлении и деформируется в контакте с дорогой при качении, ее элементы, расположенные в различных продольных сечениях, стремятся двигаться с различными линейными скоростями, чему препятствует сцеп

27 ление протектора с дорогой, В связи с этим в контакте могут возникнуть дополнительные окружные касательные напряжения. Условием отсутствия этих напряжений является равенство радиуса качения шины Rk (выражаемого отношением линейной скорости шины к угловой) условным радиусам качения в каждом сечении шины:

Rk = Rki = Rk2 = • • .= Rki = Ri (1 + £ticp) (30)

Величина радиуса качения Rki для каждого сечения связана с величиной наружного радиуса Rj в данном продольном сечении и средней окружной деформацией брекера в том же сечениии. Установлено экспериментально, что величина окружных деформаций брекера в зоне контакта определяется жесткостными свойствами брекера и не зависит от кривизны беговой дорожки. По ширине беговой дорожки они распределены неравномерно (по ее центральной части близки к нулю и резко возрастают к краю брекера).

Если при выбранной кривизне выполняется условие (30) и радиусы качения по центру и углу беговой дорожки равны, то в контакте нет дополнительных окружных сил и, следовательно, снижается связанный с ними расход энергии на выравнивание радиусов качения в контакте.

Причина повышенного износа угла беговой дорожки может быть связана со значительными меридиональными напряжениями в контакте, увеличивающимися с уменьшением высоты элементов протектора по мере их износа. Было установлено, что меридиональные касательные напряжения мало зависят от кривизны беговой дорожки.

При передаче шиной момента и боковой силы в зоне контакта возникают дополнительные окружные и меридиональные касательные напряжения Дтр£ и Дту. Из анализа зависимостей, приведенных в первом разделе доклада можно получить, что характер распределения этих напряжений по ширине зоны контакта зависит от соотношения сдвиговой жесткости элементов протектора и длины зоны контакта в каждом продольном сечении.

28

Атг

GXk

31)

Дг„

G(Xk±AXKp)

KX +hn

32) а удельная работа трения в каждом сечении при этом пропорциональна соотношению

XI

V1* + hn

33)

Интенсивность износа протектора оценивается величиной удельной работы трения при прохождении элементом протектора зоны контакта. Поэтому в качестве критерия, оценивающего неравномерность износа по ширине беговой дорожки, принята величина, равная отношению величины работы трения по краю контакта А,ф к величине работы трения по центру Ац.: AKp/Au. При равномерном износе Акр/Ац=1.

Показатель неравномерности работы трения Акр/Ау определяется через три составляющие Акр/Ац=у1+утт4^э, где yi — показатель, определяемый конфигурацией отпечатка шины, нагруженной радиальной нагрузкой, утт — показатель, определяемый величиной меридиональных касательных напряжений при свободном качении, который зависит от меридиональных деформаций брекера и не зависит от кривизны беговой дорожки, уэ— показатель определяемый изменением конфигурации отпечатка при действии боковой силы, от конструкции шины он практически не зависит, но зависит от величины боковой нагрузки

Из практики известно, что наибольшее влияние на равномерность износа оказывает кривизна беговой дорожки. Проведено сопоставление по результатам ускоренных дорожных испытаний для различных шин полученных данных по неравномерности износа Jkp/Ju (где JKp, Ju — интенсивность износа по краю и центру беговой дорожки) с величиной показателя у\, зависящей от кривизны беговой дорожки и установлено существование между ними зависимости:

29

1 + k(7i - Уо) (34)

J 4 где уо— оптимальная величина уь при которой износ равномерен. Величина коэффициента к существенно зависит от условий износных испытаний. Для радиальных шин серии 70 с брекером из металлокорда 4JI22 значение уо оценено как 0,6 (рис. 7). Для шин серии 80, у которых меридиональные напряжения при свободном качении больше, величина уо уменьшается примерно до 0,5 (рис.8). В диагональных конструкциях, где величина тт еще выше, оптимальное значение уо равно 0,45-0,5). Показатели Утш и уо и взаимосвязаны и меньшее значение y-tm должно компенсироваться большим уо (рис.9).

На основе изложенного выше исследования совместно с В.Я. Мельниковым были определены оптимальные значения параметров зоны контакта, проведена корректировка конструкторской и технологической документации на серийное производство шин 175/70Р13 мод. ИН-251 в части распределения глубины рисунка по ширине беговой дорожки, ужесточения крайних выступов за счет корректировки профиля ножевых ставок, увеличения ширины и уменьшения кривизны брекера, применения брекерной резины увеличенной жесткости.

Эти меры обеспечили равномерный износ по ширине беговой дорожки, что было подтверждено ускоренными дорожными испытаниями на дорогах общего пользования на уровне 30 тыс.км.

30

Рис. 7. Связь между неравномерностью износа протектора и показателем неравномерности работы трения от внешних сил: 1—шина 175/70R13, ф. «Мишлен»; 2—шина 175/70R13, мод. ИН-251; 3—шина 175/70R13, мод. И-251; 4—шина 165/70R13, мод. Ех-70:

---) УДИ, Свалява; (-■) УДИ, Тбилиси.

31 о и й о

Рис. 8. Связь между неравномерностью износа протектора и показателем неравномерности работы трения от внешних сил: 1—шина 165/R13, мод. ИЯ-170; 2—шина 165R13ZX, мод. ф. «Мишлен»; 3—шина 165R13 XZX ф. «Мишлен»,; 4 и 5— шина 165/80R13, мод. МИ-166:

-) УДИ, Тбилиси; (---) УДИ, Свалява.

Рис. 9. Связь между показателем уо и величиной тт при свободном качении шины.

32.

4. Исследования влияния конструкции каркаса на характеристики, определяющие износостойкость протектора

Оценивались шины принципиально разной конструкции каркаса [5, 8]. Рассматривалось свободное качение, передача окружной силы и боковой силы. Экспериментально определялись нормальные, окружные и меридиональные напряжения в контакте при свободном качении, параметры зоны контакта, характеристики для оценки работы трения при действии дополнительных окружных и боковых сил.

В работе [5] проведено сравнительное исследование грузовых шин диагональной и радиальной конструкции 200-508 с одинаковым рисунком протектора по показателям, определяющим износостойкость. Было установлено, что при свободном качении характер изменения контактного давления, в основном определяемый типом рисунка и жесткостью резины протектора, а также окружные касательные напряжения, возникающие в контакте радиальной и диагональной шины, практически одинаковы.

Составляющая меридиональных касательных напряжений, возникающих вследствие изменения кривизны брекера (каркаса), одинакова для всех типов шин (~ 1 кгс/см2). Поэтому разница в величине меридиональных касательных напряжений шин Р и диагональных обусловлена только изменением меридиональных деформаций брекера (каркаса) в зоне контакта.

Экспериментальные замеры меридиональных деформаций в брекере (каркасе) и определенные по ним меридиональные смещения брекера (каркаса) относительно дороги показывают, что эти смещения у шин Р существенно меньше, чем у шин диагональной конструкции. Соответствующая меридиональная составляющая касательных напряжений, равная произведению меридионального смещения на жесткость элементов протектора максимальна на расстоянии 50 мм от центра беговой дорожки и составляет для шин диагональной конст 2 рукции ~ 1,5 кгс/см , а для щин Р — 0,1ч-0,3 кгс/см .

33

Максимальные меридианальные касательные напряжения у шин Р значительно меньше 1 кгс/см2), чем у шин диагональной конструкции 2,5 кгс/см2).

При оценке действия окружной силы проводилось экспериментальная проверка влияния изменения окружных деформаций на нелинейность распределения касательных напряжений по длине контакта. Экспериментально было установлено, что изменение окружных деформаций в каркасе при действии окружной силы в грузовых шинах (как в диагональной, так и радиальной) незначительно и практически не влияет на распределение окружных касательных напряжений. Их увеличение на выходе из контакта составляет 2-ьЗ% для радиальных шин и 7% для диагональных. В этом случае дополнительные касательные напряжения от действия окружных сил меняются по линейному закону, удельная работа трения определяется в основном деформациями протектора. При принятых нормах нагрузок и внутренних давлений размеры контакта сравниваемых шин различаются незначительно, дополнительные касательные напряжения и удельная работа трения одинаковы.

Для оценки шин при передаче боковых сил применен расчетно-экспериментальный метод.

Получено, что удельная работа трения в радиальных шинах с брекером из вискозного корда на 8%, а с брекером из ме-таллокорда на 25% меньше, с брекером из капронового корда на 12% больше, чем в диагональной шине.

Установлена экспериментальная зависимость величин удельной работы трения при действии боковых нагрузок от модуля упругости корда брекера грузовых радиальных шин.

Исследование легковых шин разных конструкций (диагональных, радиальных, диагонально-опоясанных) по показателям, определяющим их износостойкость проведено в работе [8]. Необходимые характеристики шин определялись экспериментально.

34

Получены следующие результаты:

На опытных шинах 6,70-15 с разными углами нитей корда в каркасе получено, что изменение угла нитей корда в каркасе в диапазоне от 30° до 65°практически не влияет на окружные касательные напряжения и существенно влияет на меридиональные касательные напряжения и смещения в контакте. Меридиональные касательные напряжения при свободном качении увеличиваются с увеличением угла нитей корда в каркасе. Это объясняется тем, что при малых углах имеет место существенно меньшая величина деформаций каркаса и их изменения в пределах зоны контакта. Коэффициент сопротивления боковому уводу и боковая жесткость шин возрастают с увеличением угла наклона нитей. Наиболее интенсивно коэффициент сопротивления боковому уводу увеличивается в диапазоне изменения утла от 30° до 58°; при дальнейшем увеличении угла он меняется незначительно.

Сравнительный анализ шин 7,35-14 модели И-146, отличающихся конструкцией каркаса, показал следующее.

Меридиональные деформации в шине радиальной конструкции значительно меньше по величине, чем в диагональной и диагонально-опоясанной, и практически не меняются в пределах зоны контакта.

Коэффициент сопротивления боковому уводу шин диагонально-опоясанной и радиальной конструкций практически одинаков и примерно на 30% выше, чем у диагональных.

Результаты сравнительных испытаний шин 7,35-14 показали значительное превосходство радиальных шин по износостойкости протектора.

Хотя коэффициент сопротивления боковому уводу в диа-гонально-опоясанных шинах выше, чем в диагональных и можно было бы ожидать повышения их износостойкости, однако, этого не происходит. Из-за больших меридиональных деформаций каркаса в зоне контакта возникают существенные меридиональные смещения и касательные напряжения в контакте, увеличивающиеся по мере уменьшения глубины рисунка протектора в связи с его износом.

35

Таблица 1

Результаты сравнительных испытаний шин 7,35-14

Модель Конструкция Износ: мм/тыс. км

И-146 диагональная 0,22

И-156 радиальная 0,15

И-146 Диагонально-опоясанная 0,24

5. Разработка и исследование конструкций диагональных шин с уменьшенными деформациями каркаса и улучшенной износостойкостью протектора

Была поставлена задача. Конструктивными мерами уменьшить меридиональные деформации в каркасе и их изменение в пределах зоны контакта в диагональной шине с целью повышения ее износостойкости, сохранив при этом такие преимущества диагональных шин, по сравнению с радиальными, как более простая технология сборки, большая способность к восстановительному ремонту, лучшие амортизационные свойства на больших скоростях.

С этой целью проведена разработка и изучение опытной конструкции диагональной шины с дополнительным узким ре-зино-кордным слоем в каркасе, имеющим меридиональное расположение нитей корда и привулканизованным по центру беговой дорожки к внутреннему слою каркаса [В] (Рис.10, 11). Дополнительный металлокордный слой препятствует деформациям каркаса в меридиональном направлении, поскольку ромбики, образованные перекрещивающимися нитями корда каркаса, связаны в меридиональном направлении нитями ме-таллокордного слоя. При этом значительно уменьшаются де

36 формации каркаса в зоне контакта (Рис.12), что приводит к уменьшению перемещений и касательных сил в меридианаль-ном направлении.

Изготовление шин предлагаемой конструкции проводится по обычно принятой технологии изготовления диагональных шин с двумя дополнительными операциями при сборке: изготовление обрезиненой метадллокордной полосы и наложение ее на сборочный барабан до основных слоев с дальнейшим одностадийным формованием.

Конструкция шин является оригинальной и защищена авторским свидетельством [15].

На примере шин легковой 155-330 модели И-151 и грузовой 260-508 модели И-252Б были разработаны и изготовлены опытные шины с дополнительным металлокордным слоем по беговой части (из тонкого корда типа 4Л22, шириной 60-80 мм) с меридиональным направлением нитей корда. Проведены исследования, целью которых являлась предварительная оценка основных показателей, определяющих износостойкость, оценка работоспособности на шинообкатных станках, оценка эксплуатационных свойств шин.

По результатам тензометрических испытаний шин и рас-четно-экспериментальной оценке характеристик, определяющих износостойкость было установлено преимущество опытных шин. Работоспособность опытных шин, определенная на шинообкатных станках практически одинакова с диагоналными.

37

Рис.10. Срез шины 155-330 мод. И-151 с дополнительным металлокордным слоем

Рис.11. Рентгеновский снимок металлокордного слоя шины 260-508 мод. И-252Б после эксплуатационного пробега 117 тыс.км.

38

J А i 5 - 3 / \ / NA Корона 1 // V

600 400 200 \ \\ к /Л IP 1 1 ■ ■ -Nc. Г- -,- .j1 200 ^00 600 I Зона деформации,мм /] -/з ✓ | • Г5 / f Ss\ 37 мм от короли 1' \ ч Л \\ // // 11 1 11 7/ f 75 им от коронь / / ^^ \< / / j

Рис.12. Меридиональные деформации шина 260-508 мод. И252Б: Q = 1860 кгс, р = 5,3атм

- опытная, -— - эталон)

39

Лабораторно-дорожные испытания, проведенные на шинах 155-330 мод. И-151 показали, что применение шин опытной конструкции с дополнительным металлокордным слоем в каркасе улучшает устойчивость, управляемость и эффективность торможения автомобиля, но несколько ухудшает выбег, т.е. увеличивает потери при свободном качении.

Проведенные сравнительные ускоренно-дорожные испытания опытных шин 155-330 мод. И-151 на дорогах общего пользования (Минское шоссе) форсированным пробегом на 2-х автомобилях ВАЗ-2101, груженых балластом показали, что на уровне 25 тыс. км опытные шины имеют на задних колесах интенсивность износа меньшую на 25%, чем серийные диагональные, интенсивность износа на передних колесах одинакова.

Преимущества опытных конструкций были реализованы не полностью, так как они изготовлялись в той же прессформе, что и серийные шины. Уменьшение кривизны беговой дорожки позволит снизить неравномерность износа по ее ширине и тем самым повысить общую износостойкость протектора. По результатам предварительных эксплуатационных испытаний опытных грузовых шин 260-508 мод. И-252Б на Московском автокомбинате № 16 опытные шины на уровне 117 тыс.км превосходят серийные по износостойкости на 15-17%.

Проведенные исследования с одной стороны были направлены на решение проблемы повышения долговечности по износу диагональных шин, с другой стороны подтвердили правильность результатов теоретических исследований и возможность использования разработанного расчетно-экспериментального метода для прогнозирования износостойкости шин.

40

6. Методика прогнозирования износостойкости протектора радиальных шин на стадии проектирования и ее место в блоке расчетного анализа системы САПР радиальных шин.

Современная методология конструирования шин основана на применении расчетных методов для прогнозирования эксплуатационных свойств шины на стадии ее проектирования. Это значительно сокращает сроки разработки проекта шины за счет уменьшения объема исследовательских, доводочных, определительных и сравнительных натурных испытаний.

При разработке новой шины первым и наиболее ответственным этапом является создание проекта шины. Если на этом этапе будет допущена ошибка, то на последующих бывает трудно или даже невозможно ее исправить.

Техническим заданием на шину кроме габаритов шины и грузоподъемности задаются требуемые эксплуатационные свойства и выходные характеристики, формулируется набор ограничений по показателям свойств.

Проектирование начинается с выбора, согласно техническому заданию, в банке данных шины прототипа и шины аналога. По прототипу создается чертеж "нулевого" приближения проектируемой шины.

По шине аналогу устанавливаются нормы на прочностные и выходные характеристики для нее. Далее начинается процесс расчетного анализа "нулевого" варианта проекта и его последовательная доводка до окончательного варианта, удовлетворяющего техническому заданию.

Разработанная в ФГУП НИИШП система расчетного анализа для оптимизации конструкций радиальных шин на стадии проектирования, включающая методы расчета с программным обеспечением и методики оценки прочностных и выходных характеристик шин, позволяет осуществить на стадии проектирования расчетный анализ основных характеристик радиальной шины [12,13,14]. Эта система расчетного анализа служит основой для автоматизации процесса проек

41 тирования радиальных шин, позволяет проводить расчетный эксперимент для выбора оптимальных параметров конструкции и материалов проектируемой шины, обеспечивающих требования Заказчика по габаритам, грузоподъемности, прочностным характеристикам, износостойкости протектора, потерям на качение и тепловому состоянию шины.

Проведенные соискателем теоретические и экспериментальные исследования, направленные на понимание особенностей механических процессов в контакте с дорогой радиальных шин, установление основных характеристик, определяющих их износостойкость, позволило разработать методику прогнозирования износостойкости радиальных шин на стадии проектирования. Проведенные многочисленные расчеты легковых, грузовых комбинированных и ЦМК шин, и сопоставление с экспериментальными данными, полученными тензометрическими и стендовыми методами, а также сопоставление с результатами износных испытаний показало, что эта методика может использоваться для расчетной оптимизации конструкции и материалов радиальных шин по износостойкости протектора.

Методика прогнозирования износостойкости протектора радиальных шин, включена в блок расчетного анализа системы САПР радиальных шин, позволяет на основании расчетного исследования проводить расчетную оптимизацию конструкции и материалов шин.

Исходные параметры для расчета показателей, определяющих износостойкость протектора, обеспечиваются основным программным комплексом блока расчетного анализа системы САПРшин, разработанным О.Н. Мухиным: «Вычислительная среда «АПР+» для определения профиля шины, проектного и поверочного расчетов механических характеристик пневматических шин радиальной конструкции».

Входные данные к комплексу программ определяются и задаются из чертежа распределения материалов и другой конст-рукторско-технологической документации и включают режим

42 нагружения и конструктивные особенности шины. Режим на-гружения: внутреннее давление, нормальная нагрузка, боковая нагрузка, радиус кривизны опорной поверхности. Конструктивные параметры шины: геометрия боковой стенки, геометрия беговой части, параметры протектора, параметры каркаса и брекера, упруго-жесткостные свойства конструкционных материалов протектора, брекера, каркаса.

Для расчета механических характеристик радиальных шин О.Н. Мухиным решена контактная задача с помощью модели, приближающейся по свойствам к реальной шине — кольца на упругом основании с наружным упругим слоем. Кольцо имитирует резино-кордную структуру брекера и каркаса в беговой части шины; система пружин, скрепляющих кольцо с ободом, имитирует боковины; упругий наружный слой — протектор. Для задания параметров модели используются параметры реальной шины. Характеристики шин, используемые при проведении оценки их износостойкости на стадии проектирования, рассчитываются с достаточной для практики точностью.

В настоящее время методика прогнозирования износостойкости протектора, включенная в систему расчетного анализа радиальных шин широко внедрена в исследовательскую и конструкторскую практику. Она обладает информативностью, экономичностью и удовлетворительной точностью, подтверждаемой стендовыми, лабораторно-дорожными и эксплуатационными испытаниями созданных шин, используется при разработке перспективных легковых, грузовых, сверхкрупногабаритных шин в ФГУП "НИИШП" и на шинных предприятиях (таб. 2, 3,4), 5) .

43

Таблица 2

Показатели для оценки износостойкости СКГ шин 33.00R51

Параметр Размерность Мишлен Бридж-стоун Гудьир

Внутреннее давление МПа 0.65 0.69 0.65

Нормальная нагрузка кН 392.4 392.4 392.4

Диаметр надутой шины расчет эксперимент мм 3026.7 4(40 3046.4 3059. 3045.6 3074.

Прогиб шины под нагрузкой расчет эксперимент мм 132.3 150. 139.8 14'). 148.3 1*5

Статический радиус расчет эксперимент мм 1381. 1365. 1378.7 1381. 1374.5 1382.

Площадь контакта, общая расчет эксперимент м2 0.797 0.7805 0.788 0.7071 0.816

Среднее по выступам контактное давление расчет МПа 0.802 0.696 0.641 эксперимент 0.829 0.801

Коэффициент сопротивления боковому уводу кН/рад кгс/гра Д 2881. 5128. 1923. 3422. 1390 2474

Удельная работа трения при боковой силе 30 кН и тяговой силе 40 кН Дж/м2 1642. 1701. 2120.

44

Таблица 3

Показатели износостойкости грузовых шин

Показатели Шина 10,0QR20 Шина ll,0OR2O Шина 12,00R20 модель шины модель шины модель шины

И-309 И-73А И-111А И-348 И-150 А И-332

Радиальная нагрузка, кН 26,73 26,49 28,45 28,45 31,82 31,82

Суммарная удельная работа трения при действии окружной и боковой силы, кДж/м2 2,51 2,66 2,73 2,66 2,91 2,66

Интенсивность изгноса в эксплуатации (дороги группы А), мм/тыс.км 0,083 0,096 0,12 — 0,159 0,138

45

Таблица 4

Показатели износостойкости протектора ЦМК шин

Наименование показателя Размер шины

10,0(Ж20 11R2,2,5 12,00R20 12.00R24

Нормальная нагрузка, Н 26723 28449 35794 35794

Внутреннее давление, Мпа 0,8 0,85 0,9 0,8

Боковая нагрузка, Н 6450 7000 9000 9000

Средняя высота протектора, мм 22,2 20,4 22 23,6

Высота рисунка протектора, мм 16 14 14 16

Ширина зоны контакта, мм 205 205 225 225

Коэфф. Насыщенности ри- сунка протектора 0,72 0,75 0,72 0,69

Модуль сдвига резины про- тектора, Мпа 1,6 1,6 1,6 1,6

Прогиб радиальный, мм 29,7 31,9 34 36,8

Радиус свободного качения, мм 509,3 508 545,2 595,4

Длина зоны контакта, мм 265,6 256,5 299,9 331,3

Площадь зоны контакта, см2 544,5 525,8 674,8 745,4

Площадь выступов, см2 392,1 394,4 485,8 514,3

Среднее контактное давле- ние на выступы, Мпа 0,68 0,72 0,74 0,69

Коэфф. сопротивления бо- ковом}' уводу, кН/рад 324,7 361,5 454,7 476,6

Показатель, характеризую- щий удельную работу тре- ния при действии боковой силы, кДж/ м2 14,9 14,6 17,4 17,3

Показатель, характеризую- щий удельную работу тре- ния при действии окружной силы, кДж/м2 12,9 13,3 14,9 14,6

Интенсивность износа, 0,09 0,09 0,09 0,08 мм/тыс.км

Условный пробег, тыс.км. 165 141 133 169

46

Таблица^"

Показатели износостойкости протектора легковых шин

Наименование показателя 165/70R13 165/70R13 165/70R13

79Т 79Т БЛ-85 к. 1 сл. 13А к.1сл.20ПДУ к. 1сл.13А

Нормальная нагрузка, Н 3530 3530 3530

Внутреннее давление, МПа 0,2 0,2 0,2

Боковая нагрузка, Н 500 500 500

Продольная нагрузка, Н 500 500 500

Прогиб радиальный, мм 20 19,3 21,6

Радиус свободного качения, мм 272,9 273,0 274,7

Длина зоны контакта, мм 130,2 131,8 135,1

Ширина зоны контакта, мм 124 124 114

Коэф. насыщенности рисунка протектора 0,68 0,68 0,68

Площадь зоны контакта, см2 161,5 163,5 154

Площадь выступов, см2 109,8 111,2 104,7

Среднее контактное давление на выступы, Мга 0,321 0,317 0,337

Средняя высота протектора, мм 9,3 9,1 10,9

Коэфф. сопротивления боково- му уводу, кН/рад 59,9 65,3 53,5

Интенсивность работы трения при заданной боковой силе, Дж/м 4,54 4,07 5,17

Модуль сдвига резины протек- тора, Мпа 1,5 1,5 1,5

Удельная работа трения при заданной боковой силе, Дж/м2 53,8 48,2 66,7

Удельная работа трения при за- данной продольной силе, Дж/м2 25,6 24,5 33,3

Суммарная уд.работа трения при действии продольной и боковой силы Дж/м2 79,41 72,76 99,95

Интенсивность износа, % 80 73 100 |

Условный ресурс по износу, % 109,3 118,7 100 1

48

Основные выводы:

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования и получены общие закономерности и аналитические зависимости, связывающие деформации элементов беговой части пневматической шины с напряжениями и проскальзываниями в контакте при свободном качении и при передаче окружной и боковой сил.

2. Установлены основные характеристики пневматических шин для прогнозирования износостойкости протектора. Разработаны расчетно-экспериментальные методы для их определения.

3. Исследованы причины неравномерного износа протектора легковых радиальных шин в эксплуатации. Разработан метод расчетно-экспериментальной оценки равномерности износа протектора радиальных шин. Установлены основные факторы, связанные с конструкцией шин.

4. Проведено сравнительное исследование шин, различающихся конструкцией каркаса, и установлено ее влияние на показатели, определяющие износостойкость протектора.

5. Разработана оригинальная конструкция диагональной шины с уменьшенными меридиональными деформациями каркаса и улучшенной износостойкостью протектора.

6. Разработана методика прогнозирования износостойкости протектора радиальных шин на стадии проектирования для системы САПР-шин и внедрена при разработке перспективных легковых, грузовых, сверхкрупногабаритных шин.

Основное содержание работ нашло отражение в опубликованных работах.

49

Перечень опубликованных Володиной Т.Н. работ, представленных на соискание ученой степени кандидата технических наук

1. Бидерман B.JL, Володина Т.Н., Пугин В.А. Установление связи между деформациями каркаса шины и смещениями его относительно дороги // Каучук и резина. 1966. №7. С. 36-40.

2. Бидерман В.Л., Пугин В.А., Володина Т.Н. Исследование связи между деформациями каркаса и протектора шины и силами в площади ее контакта с дорогой // «Резина - конструкционный материал современного машиностроения»: Сб. статей/ М.: Издательство «Химия», 1967. С. 47-57.

3. Бидерман B.JL, Володина Т.Н., Пугин В.А. Исследование касательных сил, проскальзываний и работы трения в контакте шин с дорогой // Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции. «Основные научные проблемы шинной промышленности» /НИИШП. М„ 1968. С.66.

4. Горская Л.П., Володина Т.Н. Расчетные методы оптимизации упруго-гистеризисных свойств протекторных резин при выборе их рецептуры. Материалы четвертой Российской научно-практической конференции резинщиков. «Сырье и материалы для резиновой промышленности. Настоящее и будущее» / НИИШП. М, 1997. С. 46-47.

5. Пугин В.А., Володина Т.Н. Сравнительное исследование работы трения в контакте с дорогой шин Р и диагональных // Каучук и резина. 1971. № 1. С. 38-41.

6. Володина Т.Н., Пугин В.А. Определение радиуса качения шины //Каучук и резина. 1972. № 10. С. 36-41.

7. Володина Т.Н., Пугин В.А. Определение радиуса качения и окружной эластичности шины при качении без буксования // Механика пневматических шин как основа рационального конструирования и прогнозирования эксплуатационных свойств: Сб. тр / НИИШП. М., 1974. С. 129-138.

8. Пугин В.А., Володина Т.Н. Влияние конструкции каркаса на свойства, определяющие износостойкость шин // Механика пневматических шин: Сб. науч. тр. / НИИШП. М. 1976.С. 124-135.

9. Бухин Б.Л., Володина Т.Н., Мельников В .Я. Исследование неравномерности износа легковых радиальных шин // Исследование механики пневматической шины: Сб. науч. тр / НИИШП. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988. С. 172-182.

10. Белкин А.Е., Володина Т.Н., Горская Л.П. Верификация метода расчета радиальных шин по теории трехслойных оболочек // Материалы восьмого симпозиума. «Проблемы шин и резинокордных композитов. Дорога, шина, автомобиль», т 1 /НИИШП. М„ 1997. С. 40-46.

11. Соколова Н.В., Володина Т.Н., Трофимов С.А., Мельников В.Я. Применение экспериментальных исследований контактных давлений при разработке перспективных конструрций легковых шин // Материалы одинадцатого симпозиума. «Проблемы шин и резинокордных композитов», т 2 / ГУП «НИИШП». М., 2000. С. 131-149.

12. Володина Т.Н., Горская Л.П., Гладких С.А., Калинков-ский B.C., Путанкин К.С., Трофимов С.А. Современная методология проектирования шин с использованием расчетных и экспериментальных методов // Материалы десятого сипозиума. «Проблемы шин и резинокордных композитов. Десятый юбилейный симпозиум» /ТУП «НИИШП». М. 1999. //Каучук и резина 2001. № 2. С.43.

13. Володина Т.Н., Горская Л.П., Гладких С.А., Калинковский B.C., Путанкин К.С., Трофимов С.А. Современная методология проектирования шин П Каучук и резина. 2001. № 2.

14. Володина Т.Н., Горская Л.П. Система расчетного анализа для оптимизации конструкции радиальных шин на стадии проектирования // Материалы двенадцатого симпозиума. «Проблемы шин и резинокордных композитов» /' ГУП «НИИШП». М. 2001. С. 96-105.

15. Авторское свидетельство 347217 СССР. Пневматическая диагональная шина / Пугин В.А., Володина Т.Н., Гаглер В.А. Опубл. 10.08.1972, Б №24

С. 33-38.