Е к б а е в ш и х м а г о м е д д жа м а л д и н о в и ч разработка методики прогнозирования давления в шинах атс и повышение его стабильности в эксплуатации за счёт использования внутреннего газопроницаемого пневматического аккумулятора
На правах рукописи
Г е ч е к б а е в Ш и х м а г о м е д Д жа м а л д и н о в и ч РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ШИНАХ АТС И ПОВЫШЕНИЕ ЕГО СТАБИЛЬНОСТИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ГАЗОПРОНИЦАЕМОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО АККУМУЛЯТОРА 05.22.10 – «Эксплуатация автомобильного транспорта»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград - 2011
Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» Махачкалинского филиала Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) Научный руководитель доктор технических наук, доцент Рябов Игорь Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Славуцкий Виктор Михайлович;
кандидат технических наук, доцент Сергеев Александр Павлович Ведущая организация Саратовский государственный технический университет (СГТУ)
Защита состоится 17 февраля 2012 г. в 12 часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом уни верситете по адресу: 400005, проспект Ленина 28, ауд. 209.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государст венного технического университета.
Автореферат разослан “ 16 ” января 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Ожогин В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В процессе эксплуатации автотранспортных средств (АТС) давление в шинах постепенно изменяется вследствие различных причин.
Воздух из шины может вытекать через ниппель и через соединение бескамерной шины с ободом. Однако даже если указанные утечки отсутствуют, давление в шинах автомобиля, в том числе и запасном колесе, все равно постепенно изменяется, при чем не только уменьшается, но и увеличивается под действием таких эксплуатаци онных факторов как температура, давление атмосферного воздуха, особенно в гор ных условиях. Кроме того, материалы шины газопроницаемы, вследствие чего по стоянно идет диффузия заправленного в шину газа в атмосферу. Поэтому для орга низации научно обоснованного обслуживания шин и проверки способов повышения стабильности давления необходима разработка методики прогнозирования давления в шинах с учетом эксплуатационных факторов. Опубликованная в литературе стати стическая информация свидетельствует о том, что в России и за рубежом не осуще ствляется регулярный контроль давления в шинах. Европейские производители шин провели обширные исследования давления в шинах различных автомобилей в про цессе эксплуатации и выявили, что только 20% автомобилей имеет нормативное давление в шинах. Недостаточное давление было установлено у 60% машин, а избы точное – у остальных 20%. В Российской Федерации лишь у 15% автомобилей дав ление воздуха в шинах соответствует нормативному значению. Годовые финансо вые потери только из-за перерасхода топлива, вызванного недостаточным давлени ем в шинах, в масштабах РФ исчисляются в миллиардах рублей. Кроме того, из-за ненормативного давления шины изнашиваются быстрее, что также увеличивает за траты на эксплуатацию автомобилей и ухудшает экологичность автомобилей, по скольку при повышенном износе шин увеличиваются выбросы вредной пыли. За ру бежом фирмы Goodyear Tire & Rubber Co и Siemens VDO Automotive и др. разрабо тали различные системы контроля давления в шинах, однако эти системы только контролируют, но не стабилизируют его. Поэтому тема диссертации, направленной на стабилизацию давления в шинах автотранспортных средств, является актуальной.
Целью работы является разработка методики прогнозирования давления в шинах и повышение его стабильности в эксплуатации за счёт использования внут реннего газопроницаемого пневматического аккумулятора давления (ВПГА).
Научная новизна:
1. Разработана методика прогнозирования давления в шине, основанная на матема тическом моделировании процессов в шине с учетом эксплуатационных факторов (температуры, диффузии газа в атмосферу, атмосферного давления), и дана оценка степени влияния этих факторов.
2. Научно обоснована возможность повышения стабильности давления в шинах за счёт использования ВПГА.
3. Разработана математическая модель процесса диффузии газа из шины, содержа щей ВПГА, и методика выбора его рациональных параметров, позволяющая обеспе чить максимальное увеличение периода восстановления давления для различных шин и условий эксплуатации.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту Константину Владимировичу Чернышову за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.
Практическая значимость полученных результатов:
1. Разработанная методика прогнозирования давления в шинах АТС с учетом усло вий эксплуатации позволяет научно обоснованно назначать периодичность восста новления давления, что позволит повысить стабильность давления в шинах, их про бег и улучшить топливную экономичность АТС.
2. Теоретически и экспериментально обоснованный способ стабилизации давления в шинах путем использования ВПГА обеспечивает увеличение периода восстановле ния давления в шине в 17 раз и более, что при внедрении даст значительный эконо мический эффект.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
• методика прогнозирования давления в шинах автомобиля с учетом эксплуата ционных факторов;
• обоснование способа повышения стабильности давления в шине, включающее математическую модель процесса диффузии газа из шины с ВПГА и результаты тео ретических исследований и экспериментальных исследований газопроницаемости шинных материалов и шин;
• анализ неэффективных затрат на шины, вызванных ненормативным давлени ем, и рекомендации по эксплуатации шин, в том числе с ВГПА.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обеспечива ется использованием фундаментальных законов и зависимостей, применением со временной вычислительной техники, точных контрольно-измерительных устройств, сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Объекты исследований – шинные материалы, шины легковых автомобилей и грузового автомобиля «ГАЗель», а также экспериментальная шина ВПГА.
Предмет исследований – зависимости изменения давления в шинах во вре мени при эксплуатации автомобиля.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложе ны и получили одобрение на научно-технических конференциях Волгоградского го сударственного технического университета (2007 – 2010 г.), на международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем 2009 г.», на ХIII междуна родной отраслевой научно-практической конференции «Россия периода реформ» 20 – 22 мая 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Содержит страниц машинописного текста, 37 рисунков и 8 таблиц. Список использованной литературы включает 121 наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирова ны цель и поставлены задачи исследования, описаны объекты исследования, опре делены научная новизна, практическая ценность работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, и указан личный вклад автора.
Первый раздел посвящен обзору литературы по современному состоянию проблемы прогнозирования и стабилизации давления в шинах автомобилей, экс плуатируемых в России и за рубежом, а также влиянию давления на эксплуатацион ные свойства автомобилей. Ненормативное давление негативно влияет на ресурс шин, а также на эксплуатационные свойства автомобиля. Вопросам влияния давле ния на характеристики шин и эксплуатационные свойства автомобилей посвятили работы многие отечественные и зарубежные ученые: А. А. Великанов, В. Л. Бидер ман, Я. И. Бронштейн, Л. Л. Гинцбург, Н. Я. Говорущенко, В. А. Гудков, В. А. Иларионов, В. И. Кнороз, А. С. Литвинов, В. И. Новопольский, Я. М. Певзнер, Р. В. Ротенберг, О. Б. Третьяков, Я. Е. Фаробин, А. А. Хачатуров, Е. А. Чудаков, Н. Н. Яценко, Behes F., Meller Th. и др., однако вопросы прогнозирования давления в шинах АТС и, особенно, повышения его стабильности недостаточно разработаны, хотя исследования в этом направлении ведутся непрерывно.
Разработаны многочисленные устройства для контроля давления, а также безопасные шины: самогерметизирующиеся шины и шины с дополнительной систе мой поддержки. Однако все эти разработки не позволяют повысить стабильность давления в шинах без уменьшения периода восстановления давления.
Известна «безопасная шина для колеса транспортного средства» (патент FR 2457778 30.01.1981, Бюл. № 5), в которой может быть реализован предложенный способ повышения стабильности давления (рис. 1).
A A–A A Рис. 1. Безопасная шина для колеса транспортного средства по патенту FR № Она содержит обод 1 с вентилем 2, наружную пневматическую бескамерную покрышку 3, основную камеру 4 с вентилем 5, выходящим в отверстие обода, и вспомогательную камеру 6, состоящую из секций, каждая из которых через клапаны 7 сообщена с основной камерой. Вспомогательная покрышка 8 выполнена из нерас тягивающегося материала и ограничивает радиальное расширение вспомогательной камеры.
Полость наружной покрышки связана с вентилем 3 каналами 9. Данная шина сохраняет работоспособность после прокола, однако имеет тот же недостаток, что и обычные шины, заключающийся в постепенном уменьшении давления вследствие диффузии воздуха через наружную покрышку. Это обусловлено тем, что начальное давление в наружной покрышке и внутренней вспомогательной камере практически одинаково, т.е. вспомогательная камера не используется как ВПГА.
На основании выполненного обзора литературы для реализации цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести на основании статистических данных анализ по давлению в шинах АТС эксплуатируемых в России и других странах.
2. Разработать методику прогнозирования давления в шинах автомобиля, основан ную на математическом моделировании процессов в шине с учетом эксплуатацион ных факторов (температуры, атмосферного давления, диффузии газа через шину в атмосферу), и дать оценку степени их влияния на давление в шине.
3. Разработать математическую модель процесса диффузии газа из шины, содержа щей ВГПА, и методику выбора его рациональных параметров, обеспечивающих максимальное увеличение периода восстановления давления в шине.
4. Провести расчётно-теоретическое исследование закономерностей изменения дав ления в шинах автомобиля, в том числе с ВГПА.
5. Разработать методику экспериментального определения коэффициента диффузи онной газопроницаемости шинных материалов и шин, а также методику испытания шины с ВГПА, провести экспериментальные исследования и сделать анализ полу ченных результатов.
6. Разработать рекомендации по эксплуатации шин, в том числе с ВГПА, с целью повышения стабильности давления.
Второй раздел диссертации посвящен разработке методики прогнозирования давления в шинах автомобиля с учетом эксплуатационных факторов, а также разра ботке математической модели процесса диффузии газа из шины, содержащей внут ренний газопроницаемый пневматический аккумулятор.
Давление в исправном, с герметичным вентилем колесе, заправленном газом до нормативного давления, может повышаться или понижаться по трем причинам.
Первая причина – это изменение температуры сжатого газа внутри шины вследствие суточных и сезонных колебаний температуры окружающего воздуха, а также нагре ва шины при движении. Вторая причина – изменение давления атмосферного возду ха. Третья причина – диффузия заправленного газа через камеру или покрышку бес камерной шины. Для прогнозирования давления по первой причине для неподвиж ного колеса необходимо знать прогноз погоды. Информацию о суточных и сезонных колебаниях температуры атмосферного воздуха в городах предоставляет ФОБОС (рис. 2). Из рис. 2 видно, что в среднем размахи суточных колебаний температуры невелики: 7 – 15 градусов. Поскольку оболочка шины является хорошим теплоизо лятором и аккумулятором тепловой энергии, то суточные колебания температуры газа в шине будут сдвинуты по времени и значительно меньше по амплитуде. Ис ключить влияние этого фактора на точность измерения давления рекомендуется пу тем проведения измерений при одной и той же температуре после выдержки шины при этой температуре. Если это невозможно, то следует учесть поправку, которая рассчитывается по закону Шарля.
- - - - Рис. 2. Суточные и сезонные колебания температуры в городе Волгограде, предоставленные ФОБОСом Сезонные колебания среднесуточной температуры атмосферного воздуха зна чительно больше, чем суточные, (размахи до 50 градусов и более), и их необходимо учитывать. Сезонные колебания среднесуточной температуры газа в шине будут практически соответствовать сезонным колебаниям температуры окружающего воз духа, т. к. они очень медленные (конечно, если автомобиль не хранится в отапли ваемом гараже). Прогнозировать давление p в шине в этом случае можно также по закону Шарля: p2 = p1T2 T1, где T1 и T2 – начальная и конечная абсолютные темпе ратуры газа в шине (в градусах Кельвина). Прогнозировать давление в катящейся шине можно по приближенной формуле, полученной на основе формулы В. И. Со роко-Новицкого:
p Gк f p= 0 + 273. (1) T0 12900 k Dс B Здесь p0 и T0 – соответственно, давление и температура газа в неподвижной шине до начала движения;
Gк – нагрузка на шину, кгс;
f – коэффициент сопротивлению качению;
k – коэффициент теплоотдачи от поверхности шины;
– скорость качения, км/ч;
Dс – средний диаметр шины, м;
B – ширина профиля шины, м.
Оценка показывает, что максимальное изменение давления в неподвижной шине вследствие сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха составля ет 20 – 25 %. Это значительно больше допустимого по нормам изменения давления ± 5% для легковых автомобилей и ± 10% для грузовых автомобилей и автобусов. В связи с этим в работе были выработаны рекомендации по восстановлению давления в шинах в различные сезоны года. В катящейся шине допускается температура 100 оС. Температура от 100 до 120 оС называется критической, а выше 120 оС – опас ной. В связи с этим максимальное изменение давление в катящейся шине с изна чально нормативным давлением вследствие повышения ее температуры может дос тигать 30 – 40 %. Следует отметить, что после остановки шины она остывает, и дав ление в ней снижается до нормативного уровня, поэтому повышение давления в ка тящейся шине не является нарушением нормативного давления.
Для прогнозирования изменения давления газа в шине по причине изменения атмосферного давления необходимо учитывать, что давление в шине, измеряемое манометром, равно разности абсолютного давления в шине и атмосферного давле ния. При постоянной высоте над уровнем моря атмосферное давление колеблется незначительно, поэтому при прогнозировании давления в шине его можно не учи тывать. Но в горных условиях, при увеличении высоты над уровнем моря, атмо сферное давление понижается на 0,01 МПа на каждые 1000 м подъема, и, соответст венно, повышается давление в шине. При спуске с гор атмосферное давление соот ветственно увеличивается, а давление в шине снижается. Максимальное изменение давления в горных условиях ± 20…25 %, т.е. существенно больше, чем допустимое по нормам, следовательно, если в горах шины имели нормативное давление, при спуске с гор их необходимо подкачивать.
Для прогнозирования падения давления в шинах по причине газопроницаемо сти шинных материалов использовался закон Фика, который для одномерного ста ционарного переноса газа через газопроницаемый материал имеет вид:
p Q=k St, (2) где Q – количество газа (кг), прошедшего через газопроницаемый материал толщи ной (м) и площадью S (м2) за время t (с) при разности давлений газа с разных сто рон материала p (Па), k – коэффициент газопроницаемости (с), который определя ется экспериментально.
Процесс диффузии всегда идет в направлении выравнивания концентрации, то есть из области, в которой концентрация газа (плотность) выше, в область с более низким давлением. Поскольку давление в шине p понижается во времени вследствие диффузии газа через оболочку (камеру или герметизирующий слой бескамерной шины), то интенсивность диффузии газа из шины (количество диффундирующего газа за единицу времени) тоже уменьшается с течением времени. Поэтому на осно вании формулы (2) справедливо выражение:
kS dQ (t ) = p (t )dt. (3) Определим зависимость, по которой давление в шине изменяется с течением времени при постоянной температуре T.
В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева, количество газа (кг), прошедшего через оболочку объемом V (м3) за время t (с), [ p p(t )] V, Q (t ) = G0 G (t ) = 0 (4) RT где G0 и G(t) – соответственно начальное количество газа в колесе и количество га за, оставшееся в колесе к моменту времени t, p0 – начальное давление газа в шине, R – газовая постоянная диффундирующего газа (Дж/кг·К).
Путем подстановки формулы (4) в формулу (3) получим дифференциальное уравнение d [ p0 p (t )] V kS = p (t ), (5) dt RT Решением уравнения (5) является выражение:
kSRT t V.
p (t ) = Ce (6) Коэффициент C определяется из начальных условий t = 0, p (t = 0) = p0. Таким об разом, давление в шине по истечении времени t можно прогнозировать по формуле p (t ) = p0 e t, (7) kSTR где =.
V Анализ формулы (7) показывает, что скорость диффузии увеличивается при росте коэффициента газопроницаемости k, площади шины S и температуры T и уменьшается при росте толщины герметизирующего слоя и объёма шины V. При современной тенденции выпуска все более низкопрофильных шин интенсивность падения давления в шинах возрастает, т.к. при этом объем шин уменьшается быст рее, чем их площадь.
При разработке математической модели процесса изменения давления в безо пасной шине для колеса транспортного средства, содержащей внутренний пневма тический аккумулятор, была использована расчетная схема (рис. 3).
Приняты следующие допущения: газ в шине идеальный;
температура шины постоянна;
коэффициент газопроницаемости постоянный.
Поскольку давление pоб в вспомогательной камере понижается во времени вследствие диффузии газа, то интенсивность диффузии газа из вспомогательной ка меры в шину тоже уменьшается с течением времени. Поэтому на основании форму лы (2) справедливо выражение для количества газа, проходящего через оболочку дополнительной камеры в шину за бесконечно малый промежуток времени:
k об S об [ pоб (t ) pш (t )]dt.
dQоб (t ) = (8) об В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева, количество газа (кг), вышедшего из вспомогательной камеры объемом Vоб (м3) за время t (с), [ p pоб (t )]Vоб, Qоб (t ) = Gоб 0 Gоб (t ) = об 0 (9) RT Qш (t ) A Qоб (t ) B Рис. 3. Расчётная схема шины с внутренним пневматическим аккумулятором (ВПГА): 1 – наружная пневматическая бескамерная покрыш 3 ка, 2 – внутренний пневматический аккумулятор, 3 – обод, A – основная камера, B – вспомогатель ная камера (внутренний пневматический газо проницаемый аккумулятор) A где Gоб 0 и Gоб (t ) – соответственно начальное количество газа в вспомогательной камере и количество газа, оставшееся во вспомогательной камере к моменту време ни t, pоб 0 – начальное давление газа во вспомогательной камере, R – газовая посто янная диффундирующего газа (Дж/кг·К).
Для количества газа, выходящего из шины в атмосферу за бесконечно малый промежуток времени, на основании формулы (2) справедливо выражение:
kш Sш dQш (t ) = p (t )dt. (10) ш ш Количество газа (кг), изменившееся в шине объемом Vш (м3) за время t (с), [ pш 0 pш (t )]Vш, Qш (t ) Qоб (t ) = Gш 0 Gш (t ) = (11) RT где Gш 0 и Gш (t ) – соответственно начальное количество газа во вспомогательной камере и количество газа, оставшееся во вспомогательной камере к моменту време ни t, p ш 0 – начальное давление газа во вспомогательной камере, R – газовая посто янная диффундирующего газа (Дж/кг·К).
Подставив формулу (9) в формулу (11), получим:
[p pоб (t )] Vоб [ pш 0 pш (t )] Vш Qш (t ) = + об. (12) RT RT Путем подстановки формулы (9) в формулу (8) и формулы (12) в формулу (10), получим систему дифференциальных уравнений d [ pоб 0 pоб (t ) ] Vоб k об S об [ pоб (t ) pш (t )], = dt об RT (13) d [ pоб 0 pоб (t ) ] Vоб [ p pш (t )] Vш = k ш S ш p (t ), + ш dt ш ш RT RT Решение системы уравнений 2 V V V V об + ш + об об об + ш + об об 4 об ш об + ш + об об + об + ш + об об 4 об ш Vш Vш Vш Vш t t pоб (t ) = C1e + C2 e, 2 V V ш об об об + ш + об об 4 об ш об V V об + ш + об об об + ш + об об 4 об ш Vш Vш Vш Vш t p ш (t ) = C1 + e 2 об V V ш об об + об + ш + об об 4 об ш об V V об + ш + об об + об + ш + об об 4 об ш Vш Vш Vш Vш t + C2 e, 2 об (14) где Vоб + + + Vоб 4 p 2 p об Vш об об ш об ш об ш об об ш Vш C1 =, V 2 об + ш + об об 4 об ш Vш Vоб + + Vоб 4 p 2 p об Vш об об ш об ш об ш об об ш Vш C2 =. (15) V 2 об + ш + об об 4 об ш Vш Для реализации полученной математической модели была разработана специ альная программа и методика выполнения расчетов.
В третьем разделе приводятся разработанные методики проведения экспери ментальных исследований.
Первая методика разработана в целях изучения частоты проверки давления водителями легковых автомобилей. Она основана на анкетном опросе водителей.
Вторая методика описывает пассивный эксперимент в виде измерения давле ния в шинах различных автомобилей с большой точностью и статистическую обра ботку результатов. Значения давлений заносились в таблицу, причём каждый раз определялось отклонение от нормы в процентах, т. к. у автомобилей разного типа давление в шинах зависит как от типа автомобиля, так и от типа шин.
Третья методика позволяет выявить влияние различных факторов (температу ры, материала и др.) на коэффициент газопроницаемости резиновых диафрагм и шин.
Четвертая методика разработана для проверки адекватности математической модели шины с ВПГА.
В четвертом разделе содержатся результаты экспериментальных и теорети ческих исследований.
На рис. 4 представлено распределение давления в шинах различных легковых автомобилей и автобусов особо малой вместимости в процентах от нормы. Из рис. следует, что только около 30% шин имеют давление в пределах нормы (с учетом допустимого отклонения 5%), а около 70% – ниже нормы. Из них около 30% шин имеют снижение давления на 10 – 15% ниже нормы, что увеличивает затраты на эксплуатацию автомобиля.
Зона пониженного Зона нормативного давления давления Рис. 4. Распределение давления в шинах различных легковых автомобилей и автобусов особо малой вместимости в процентах от нормы На рис. 5 представлена экспериментальная зависимость коэффициента газо проницаемости резиновой диафрагмы от температуры. Из рисунка видно, что коэф фициента газопроницаемости резиновой диафрагмы прогрессивно увеличивается с ростом температуры. При увеличении температуры на 10 градусов он возрастает в раза, на 30 градусов – в 9 раз, на 50 градусов – в 26 раз. Поэтому для повышения ста бильности давления очень важно снижать температуру шин в эксплуатации.
На рис. 6 приведены графики, представляющие прогноз давления в шинах при эксплуатации АТС, построенные по формуле (6) для азота при начальном давлении 0,20 МПа. Из рис. 6 видно, что при работе транспортного средства в течение суток в режиме 12 часов простоя и 12 движения, при котором температура шин повышается с 30 до 50 оС, давление в шине с течением времени уменьшается вследствие диффу зии по ломанной экспоненциальной кривой 2. Кривая 3 показывает, как изменяется давление в неподвижной шине, имеющей температуру 50 оС.
На рис. 7 приведены графики, представляющие прогноз давления в обычной шине и в шине с ВПГА при температуре 30оС, построенные по формулам (6) и (14).
Из рисунка видно, что при рациональных параметрах ВГПА обеспечивается увели чение периода восстановления давления в шине для поддержания его в пределах нормативного с 7 до 120 дней, т. е. в 17 раз по сравнению с аналогичным периодом для обычной шины.
k, с 273 293 313 333 T, К 0 20 40 60, °С Рис. 5. Экспериментальная зависимость коэффициента газопроницаемости резиновой диафрагмы от температуры p(t), Па10- 2, 1, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t, сут Рис. 6. Прогноз изменения давления в шине в эксплуатации:
1 – статика при температуре 30о С;
2 – ежедневное чередование статики (12 часов) при температуре 30 оС и динамики (12 часов) при температуре 50 оС;
3 – статика при температуре 50 оС p (t ), МПа 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 t, сутки Рис. 7. Прогноз изменения давления в шине с ВГПА и в обычной шине от времени при температуре 30 оС: 1 – расчётное давление во внутреннем газопроницаемом пневматическом аккумуляторе, 2 – расчётное давление в шине, 3 – расчётное давление в шине при отсутствии ВГПА, – экспериментальные точки В пятом разделе дан анализ неэффективных затрат на шины, вызванных не нормативным давлением в шинах и рекомендации по эксплуатации шин, в том чис ле с ВГПА.
Установлено, что объём неэффективных затрат, вызванных ненормативным давлением в шинах соответствует примерно 10% от общего объёма годовых продаж шин в России, и с каждым годом их число возрастает, что вызвано как увеличиваю щимся парком машин, так и ростом среднего пробега автомобиля. Оценка дополни тельного расхода топлива, выполненная на основе статистических данных по рас пределению давления в шине показала, что в среднем он составляет около одного процента от расхода топлива, который идет на движение автомобиля. Максималь ный дополнительный расход топлива, соответствует отклонению давления в шинах от нормативного на 22% и достигает 5%.
Основные выводы и результаты:
1. Решена задача прогнозирования давления в шинах автотранспортных средств и повышения его стабильности в эксплуатации за счёт использования внут реннего газопроницаемого пневматического аккумулятора давления (ВГПА).
2. Анализ состояния давления в шинах АТС показал, что лишь у 30% автомо билей давление воздуха в шинах соответствует нормативному значению и у 30% на ходится в зоне «опасных значений» (с точки зрения безопасности движения) с большим отклонением от нормативного. Финансовые потери для страны вследствие ненормативного давления в шинах АТС даже без учёта экологических потерь со ставляют по РФ более 7,5 млрд. руб. в год.
3. Разработана методика прогнозирования давления в шине, и установлен ха рактер, направление и пределы влияния таких эксплуатационных факторов как тем пература, атмосферное давление и диффузия газа через шину в атмосферу. Первые два фактора влияют на давление периодически и обратимо, в пределах ± 25% (в ка тящейся шине влияние температуры до 40%), третий фактор действует непрерывно и необратимо. Он понижает давление с различной интенсивностью в зависимости от условий эксплуатации шины и приводит к снижению давления по экспоненциаль ной зависимости, причем падение давления ниже нормативного происходит в сред нем за 7 дней.
4. Разработана математическая модель процесса диффузии газа из шины, со держащей ВГПА, и методика выбора его рациональных параметров, обеспечиваю щих максимальное увеличение периода восстановления давления в шине при со блюдении норм давления. Выбраны параметры, обеспечивающие увеличение пе риода восстановления давления в шине в среднем с 7 до 120 дней, т. е. в 17 раз больше, чем в обычной шине.
5. Разработана методика стендового экспериментального исследования газо проницаемости шинных материалов, определены коэффициенты газопроницаемости некоторых резин, и выявлена их зависимость от температуры. Изготовлена и испы тана шина с ВГПА, результаты испытаний которой хорошо согласуются с результа тами расчетов.
6. Установлено, что объём неэффективных затрат, вызванных ненормативным давлением в шинах, соответствует примерно 10% от общего объёма годовых продаж шин в России. Разработаны рекомендации по изготовлению и эксплуатации шин с ВГПА (после износа протектора и замены шины ВГПА может быть использован в новой шине). Широкое внедрение шин с ВГПА повысит безопасность движения и даст значительный экономический эффект РФ.
Основные материалы диссертации опубликованы в ниже перечисленных 8-ми публикациях, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК:
публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Рябов, И.М. Способ увеличения периода технического обслуживания шин путем создания запаса давления / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Мур тузов, Т.Б. Залимханов // Грузовик. – М.: Машиностроение, 2011. – № 2. С. 12-15.
2. Чернышов, К.В. Математическое моделирование процесса диффузии воздуха из шины / К.В. Чернышов, И.М. Рябов, Ш.Д. Гечекбаев, М.М. Муртузов // Грузовик. – М.: Машиностроение, 2011. – № 11. С. 14-18.
3. Оценка вибронагруженности водителя и пассажиров маршрутного такси ГАЗ 322132 с учетом условий эксплуатации / И.М.Рябов, В.В. Новиков, К.В. Чернышов, М.М. Гасанов, М.Ш. Абдуллаев, Ш.Д. Гечекбаев // Грузовик. – М.: Машинострое ние, 2009. – № 8. С. 2-5.
прочие статьи:
4. Гудков, В.А. Анализ причин выхода из строя пневматических автомобильных шин / В.А. Гудков, И.М. Рябов, А.В. Сычев, Ш.Д. Гечекбаев // Шина плюс: всеукра инский журнал. – 2007. - №4. – С.7-9.
5. Гудков, В.А. Влияние давления в шинах на эксплуатационные характеристики автомобиля / В.А. Гудков, И.М. Рябов, А.В. Сычев, В.И. Карлов, Ш.Д. Гечекбаев // Шина плюс: всеукраинский журнал. – 2008. – №2. – С. 8-10.
6. Гудков, В.А. Прогнозирование давления в запасном колесе автомобиля и особен ности его обслуживания / В.А. Гудков, И.М Рябов, К.В. Чернышов, М.Г. Гайдарбе ков, М.Ш. Абдуллаев, Ш.Д. Гечекбаев // Шина плюс: всеукраинский журнал. – 2009. – №1. С. 9-11.
7. Гудков, В.А. Влияние перекачивания шин на периодичность восстановления дав ления / В.А. Гудков, И.М Рябов, К.В. Чернышов, М.Г., Ш.Д. Гечекбаев, М. М. Мур тузов // Шина плюс: всеукраинский журнал. – 2010. – № 3. С. 12-13.
8. Гудков, В.А. Информационные системы контроля давления в шинах / В.А. Гуд ков, И.М Рябов, Ш.Д. Гечекбаев, Т.Б. Залимханов, М.М. Муртузов // Шина плюс:
всеукраинский журнал. – 2010. – № 4. С. 11-13.
Личный вклад автора. В работах [1 – 8] автор принимал непосредственное участие в разработке методики прогнозирования давления в шине и математической модели процесса проницаемости газа через шину, содержащей внутренний газопроницаемый пневматический аккумулятор давле ния, и методики выбора его рациональных параметров, обеспечивающих максимальное увеличе ние периода восстановления давления в шине. По разработанной программе провел расчеты. Уча ствовал в подготовке, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов.
Подписано в печать 12.01.2012 г.
Формат 60х84 1/16. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Типография Махачкалинского филиала МАДГТУ (МАДИ).
367026 г. Махачкала, пр. Акушинского, 13.