Оценка влияния  гистерезисных потерь в шинах колес

на плавность хода многоосных бронированных колесных машин

В.А. Жадан, Я.М. Мормило, С.Е. Токарь, Д.Н. Угненко, А.А. Шипулин

Государственное предприятие «Харьковское конструкторское бюро по машиностроению им. А.А. Морозова» (ГП «ХКБМ»)

Постановка проблемы

 Одним из важнейших показателей современных военных многоосных бронированных колесных машин является уровень их подвижности, который определяется не только характеристиками двигателя и трансмиссии, но и плавносью хода изделия, обеспечивающейся конструкцией ходовой части и тщательно подобранным характеристикам ее основных элементов.

Характеристики плавности хода оказывают влияние на боеготовность екипажа во время движения изделия по пересеченной местности и на длительных маршах, на среднюю скорость движения изделия, точность ведения огня «сходу».

Следовательно, решение вопросов, связанных с рациональным подбором характеристик системы подрессоривания является актуальной задачей при проектировании и модернизации  многоосных бронированных колесных машин.

Анализ последних публикаций

  Проведенный анализ публикаций показывает: гистерезисные потери в шинах и их долевой вклад в энергопоглащение ходовой части не конкретизированы, или вовсе не учитываются.

Так в специализированной литературе о подвеске автомобилей [1], динамике систем [2] и теории движения [3],  исследования колебаний проводятся исходя из следующего:

- рассматриваются в основном двухосные машины гражданского назначения;

- затуханием в шинах пренебрегают из-за достаточно большого затухания в подвеске, при этом анализ распределения энергопоглащения между шиной колеса и подвеской не дается;

- основными параметрами автомобиля используемыми при расчете его колебаний являются массовые характеристики (масса, момент инерции, центр масс) жесткость подвески, жесткость шин, демпфирующие характеристики  амортизаторов, трение в узлах.

В книге «Теория, конструкция и расчет боевых колесных машин» [4] сохраняются те же подходы, так в эквивалентной колебательной системе колесной машины затухание в шинах не учитывается и соответственно при исследованиях плавности хода уровень гистерезисных потерь в шинах не рассматривается.

Основной предпосылкой к исследованиям, проведенным в данной работе, является отсутствие данных по уровням гистерезисных потерь в современных шинах многоосных бронированных колесных машин, анализа распределения энергопоглощения в системе «колесо-подвеска» и соответственно определение необходимости их учета в расчетах на плавность хода.

Цель работы

1. Оценка и анализ распределения удельного уровня энергопоглащения в системе «колесо-подвеска» многоосных бронированных колесных машин.

2. Расчетная оценка влияния энергопоглащающих свойств шин на плавность хода многоосных бронированных колесных машин.

Основная часть

Проведем оценку  удельного уровня энергопоглащения шин в системе «колесо-подвеска» на примере современных многоосных бронированных колесных машин массой (20-25)т – изделиях БТР-3 и  БТР-4.

Решение вышеуказанных задач  выполним  в  2 этапа.

1 этап экспериментальный,  состоящий из определения гистерезисных потерь в шинах изделий БТР-3 и БТР-4 и снятии рабочих характеристик их амортизаторов. Сравнительный анализ энергопоглащающих  свойств шин и амортизаторов БТР-3 и БТР-4.

2 этап Сравнительный расчетный анализ плавности хода БТР-4 с учетом и без учета гистерезисных потерь в шинах.

Рисунок.1 Подвеска изделия БТР-4

а) конструкция подвеска;     б) расчетная схема нагружения колеса.

1 – торсионный вал (упругий элемент подвески); 2 – шина; 3 – амортизатор;

4 – верхний рычаг подвески; 5 – нижний рычаг подвески.

При проведении экспериментальных исследований и сравнительного анализа будем исходить из следующего:

- при движении изд. БТР-4 по реальным трассам средней сложности со скоростью V= 30…40 км/ч реализуется ~ 2/3 динамического хода, что соответствует ~ 80% полного хода подвески;

- нагрузка на шину колеса при таких значениях хода  составляет около 4600 кг;

- перемещения на амортизаторе составляют  ~ 100 мм, средняя скорость перемещения штока амортизатора 0,5 м/с;

- учет гистерезисных потерь при сравнительном анализе плавности хода многоосной бронированной колесной машины будем проводить при условии, что доля энергопоглащения шин при номинальном давлении (в шине) составит более 10% от энергопоглащения  ее амортизаторов.

             Определение гистерезисных потерь в шинах

Для получения более точных данных, испытаниям по определению  гистерезисных потерь подвергались 4 типа шин, используемых на БТР-3Е и различных модификациях БТР-4. Испытания каждого типа шин проводилось при 3-х основных значениях давления в них воздуха, предназначенных для обеспечения оптимальных параметров движения бронированных колесных машин по грунтам с различной несущей способностью. Данные по давлению в каждом типе испытанных шин приведены в таблице 1.

Таблица 1

Автомобильные шины обладают упругостью в радиальном, боковом и тангенциальном направлениях. Для оценки плавности хода основное значение имеет радиальная жесткость шины. О жесткости шины судят по ее упругой характеристике, которая представляет собой зависимость между вертикальной нагрузкой и радиальной деформацией, измеряемой при статическом нагружении. Кривые нагружения и разгрузки не совпадают, образуя петлю гистерезиса.

На рисунке 2 приведены рабочие характеристики [5]  4 типов шин, используемых на БТР-3Е и различных модификациях БТР-4.

Рисунок 2. Рабочие характеристики шин

а) шины КИ113 140НС 10, размер 12,00 R20;  б) шины ДТ-64, размер  365/90 R18;

в) шины Michelin, размер 335/80 R20;  г) шины Michelin, размер 365/80 R20.

Из анализа рабочих характеристик шин определено, что при номинальном давлении, энергопоглащение шин составляет 200…270 Дж, а при снижении давления в шине до минимального увеличивается до 300…540 Дж.

Рабочие характеристики амортизаторов

Характеристика амортизатора представляет собой зависимость силы в точке крепления амортизатора к рычагу подвески от скорости поршня амортизатора пересчитанная для той же точки крепления на рычаге.

Для удобства последующего сравнения  энергопоглащающих способностей шин и амортизаторов рабочие характеристики амортизаторов  БТР-4  и БТР-3 были отображены [6,7] в виде графиков зависимости усилия на штоке амортизатора от перемещения данного штока, приведенных на рисунке 3.

Рисунок 3. Рабочие характеристики амортизаторов.

а)  А1-237/412.2905.006 изделия БТР-4;  б) 4905-2905.006  изделия БТР-3.

Из полученных рабочих характеристик амортизаторов А1-237/412.2905.006 (БТР-4) и 4905-2905.006 (БТР-3) определено, что энергопоглащение амортизаторов БТР-4 составляет ~ 650 Дж, амортизаторов БТР-3    ~ 320 Дж.

Проанализировав  полученные данные энергопоглащающей  способности шин и амортизаторов (с учетом количества амортизаторов на подвеску) рассмотрим долевое распределение энергопоглащения шин и амортизаторов  в системе «колесо-подвеска» для БТР-4 и БТР-3Е, приведенное на рисунке 4.

а                                                  б

Рисунок 4. Диаграмма долевого распределение энергопоглащения  шин и амортизаторов в системе «колесо-подвеска» для БТР-3Е и БТР-4 с шинами КИ-113.

а) БТР-4 с амортизаторами   А1-237/412.2905.006;

б) БТР-3Е с амортизаторами           4905-2905.006.

Из диаграммы видно, что при номинальном давлении в шинах (5,2 атм.) доля энергопглщения в шинах для изделия БТР-4 составляет 17%, а для  изделия      БТР-3Е – 30% . При снижении давления до 3,5 атм (для движения по грунтам со средней несущей способностью) доля энергопоглащения в шинах возрастает для изделия БТР4 до 30%, а для изделий БТР-3Е – до 46%.

Принимая во внимание большую долю энергопоглащения шин в системе «колесо-подвеска» был выполнен сравнительный расчет «Исследование влияния демпфирования шин на плавность хода» [8] с учетом энергопоглащения в шинах и без него.

Оценка плавности хода

Оценка плавности хода проводится по уровню среднеквадратичных отклонений (СКО) вертикальных ускорений на месте механика-водителя (или экипажа) [2].

Выполнив расчетный анализ плавности хода БТР-4 (укомплектованного шинами КИ -113) с учетом демпфирования шин и без него на трассах:

А – низкочастотная, с высотой неровностей Н = 140 мм при расстоянии между неровностями LT= L (см. рисунок 5) и LT= 2L (см. рисунок 5), где L - база изделия;

Б – высокочастотная,  с высотой неровностей Н = 50 мм при расстоянии между неровностями 1,35 м   и  1,75м (см. рисунок 6). Расстояния между неровностями выбраны исходя из расстояния между осями колес БТР-4.

Рис.5 Геометрические параметры трассы А

Рис.6 Геометрические параметры трассы Б

Результаты расчета уровня среднеквадратичных отклонений вертикальных ускорений на месте механика-водителя (или экипажа) при движении изделия БТР-4 по трассе А с L_T= L и  L_T= 2L при разных давлениях в шинах КИ-113 приведены                              на рисунках 7 и 8, а при движении по трассе Б – на рисунке 9.

Рисунок 7. СКО вертикальных ускорений на месте механика-водителя

при движении по трассе А с LT= L при разных давлениях в шинах КИ-113.

а) P=1,5 кгс/см²;  б) P=3,5 кгс/см²;  в) P=5,2 кгс/см².

 без учета демпфирования шин;    с учетом демпфирования шин.

Рисунок 8. СКО вертикальных ускорений на месте механика-водителя

при движении по трассе А с LT= 2L при разных давлениях в шинах КИ-113.

а) P=1,5 кгс/см²;  б) P=3,5 кгс/см²;  в) P=5,2 кгс/см².

 без учета демпфирования шин;    с учетом демпфирования шин.

Рисунок 9. СКО вертикальных ускорений на месте механика-водителя

при движении по трассе Б при разных давлениях в шинах КИ-113.

а) P=1,5 кгс/см²;  б) P=3,5 кгс/см²;  в) P=5,2 кгс/см².

 без учета демпфирования шин;    с учетом демпфирования шин.

Анализ результатов показывает, что с учетом демпфирования шин КИ-113 плавность хода изделия БТР-4 улучшается на (6,87-20,65)%,  смотри таблицу 2.

Таблица 2

В Ы В О Д Ы

1. Энергопоглащение шин изделий БТР-3 и БТР-4 в системе «колесо-подвеска» составляет от 17% до 46%.

2. Проведенный расчет плавности хода изд. БТР-4 показал, что учет демпфирования шин важен, т.к. дает более точную и объективную оценку (до 7,5% на трассах средней сложности и до 11,5% на легких трассах при номинальном давлении в шинах).

3. При проведении расчетов плавности хода вновь разрабатываемых многоосных бронированных колесных машин рекомендуется предварительно проводить сравнительный анализ энергопоглащения в амортизаторах и шинах для последующего определения необходимости учета демпфирования шин в расчетах.

Литература:

1. Р.В. Ротенберг «Подвеска автомобиля», Москва «Машиностроение», 1972г.

2. А.А. Хочатуров «Динамика систем Дорога-Шина-Автомобиль-Водитель.», Москва «Машиностроение», 1976г.

3. Г .А.Смирнов «Теория движения колесных машин», Москва, «Машиностроение», 1990 г .

4. В.И. Медведков «Теория, конструкция и расчет боевых колесных машин», Москва, Издание академии БТВ, 1976г

5. Акт №8 от 11.01.2012г. ГП «ХКБМ» «О результатах определения гистерезисных потерь в шинах».

6. Акт №27  от 24.01.2006г. ГП «ХКБМ» «О результатах стендовых испытаний амортизаторов А1-237/412.2905.006  ТУ РБ 00231627038-97.

7. Техническая записка №269 от 27.11.2003г. ГП «ХКБМ» «О результатах определения скоростных характеристик амортизаторов 4905-2905.006 для изделий МКТС.

8. «Исследование влияния демпфирования шин на плавность хода  В1318Е.20РР-01 от 05.03.12г. ГП «ХКБМ».

              В.А. Жадан, Я.М. Мормило, С.Е. Токарь, Д.Н. Угненко, О.А. Шипулін, 

 Оценка влияния  гистерезисных потерь в шинах колес на плавность хода многоосных бронированных колесных машин.

Учет демпфирования шин в инженерных расчетах  обеспечивает более точный расчет плавности хода многоосных бронированных колесных машин.

Ключевые слова: гистерезисные потери в шинах, учет долевого энергопоглощения шин в системе «колесо-подвеска».

            В.А. Жадан, Я.М. Мормило, С.Є. Токарь, Д.М. Угненко, О.А. Шипулін.

Оцінка впливу гістерезисних втрат в шинах коліс на плавність руху багатовісних броньованих колісних машин.

Облік демпфування шин в інженерних розрахунках забезпечує більш точний розрахунок плавності руху багатовісних броньованих колісних машин.

Ключові слова: гістерезисні втрати в шинах, облік дольового енергопоглащання шин в системі «колесо-підвіска».

  V.A. Zhadan, Ya.M. Mormylo, S.E. Tokar, D.N. Ugnenko, А.А. Shypulin.

Assessment of the influence of the hysteresis losses in the wheel tires on the smooth running of multi-axle wheeled armoured vehicles.

Accounting for tire damping in engineering calculations ensures a more accurate calculation of the smooth running of multi-axle wheeled armoured vehicles.

Key words: hysteresis losses in the tires, accounting for equity energy absorbing of tires in the system “wheel-suspension”.