Методика расчёта изменений давления в шинах | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 15 августа, печатный экземпляр отправим 2 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №49 (287) декабрь 2019 г.

Дата публикации: 09.12.2019

Статья просмотрена: 24 раза

Библиографическое описание:

Федоров, М. Е. Методика расчёта изменений давления в шинах / М. Е. Федоров, И. М. Рябов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 49 (287). — С. 189-194. — URL: https://moluch.ru/archive/287/65042/ (дата обращения: 06.08.2020).



Негативное влияние ненормативного давления в шинах на эффективность эксплуатации АТС является общепризнанным фактом, как в России, так и за рубежом. Так, по сообщению Департамента Энергоресурсов США, перерасход топлива, вызванный недостаточным давлением в шинах, составляет более чем 3,5млн. галлонов (14 млн. литров) ежедневно. Актуальность проблемы определяется не только величиной финансовых потерь, но и тем, что ненормативное давление в шинах снижает безопасность, т. к. влияет на устойчивость, управляемость и тормозные свойства автомобилей. Доля шин, которые изнашиваются быстрее из-за ненормированного давления, составляет около 10 %, что соответственно увеличивает выбросы вредных веществ. Так же, в нашей стране остро стоит вопрос с переработкой автомобильных шин, т. к. предприятий по их утилизации крайне мало.

Ключевые слова: автомобильные шины, давление, износ шин, шина, шина автомобиля, градиент концентрации, материал шины.

Известно, что при эксплуатации автомобильных шин, давление в них постепенно снижается вследствие диффузионной проницаемости материалов.

Согласно первичной статистической информации, многими водителями и владельцами автомобилей не осуществляется регулярный контроль за давлением, что приводит при эксплуатации автомобилей к негативным последствиям, о которых было сказано выше. Это связано с тем, что отсутствует научно обоснованная методика определения оптимальной периодичности проверки давления, учитывающая условия эксплуатации АТС.

Разработанная методическая модель падения давления в шине вследствие диффузии заправленных в нее газов (азота и кислорода) через резину. Приводя основные данные и соотношения, определяются наиболее важные компоненты, на которые можно влиять, для расчёта скорости диффундирования газа через материал шины. Стадии процесса диффузии представлены на рис.1:

Рис. 1. Стадии диффузии газа в шине автомобиля

I стадия — адсорбция газа-наполнителя на внутренней поверхности шины; II — растворение газа в материале шины со стороны этой поверхности; III — активизированная диффузия газа в шину и через нее; IV — выделение газа из раствора на противоположную поверхность шины; V — десорбция газа с этой поверхности шины.

Диффузию газа через материал шины описывает второй закон Фика, который для одномерного переноса в направлении нормали к поверхности имеет вид:

,(1)

где: I — количество вещества, прошедшего в единицу времени через единицу площади сечения по нормали; D — коэффициент диффузии; - градиент концентрации. Знак минус в уравнении показывает, что диффузия идет в направлении убывания концентрации (давления).

Принимаем допущение, что диффузионный поток газа для шины является дискретно стационарным, т. е. давление в шине и её температура за рассматриваемый период не изменяется.

Для стационарного потока решение уравнения Фика приводит к выражению:

(2)

Здесь Q — количество вещества, прошедшего через участок шины толщиной δ и площадью S за время t при градиенте концентрации Δс. Поскольку концентрация зависит от давления газа в шине ∆р, то:

,(3)

где величина

(4)

называется коэффициентом диффузионной проницаемости. Этот коэффициент зависит от многих факторов: структуры материала шины, его толщины, строения и размеров молекул газа, температуры, давления и т. д. Он определяется экспериментально.

Для случая, когда градиент концентрации равняется 1, для определения коэффициента диффузии применима формула Эйнштейна:

,(5)

где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура (К), N — число Авогадро, η — вязкость среды (Па*с), r — радиус диффундирующих молекул.

Исходя из общих факторов, оказывающих влияние на интенсивность падения давления, можно предложить следующий вид общей математической модели:

,(6)

где – потери давления газа в шине; — коэффициент, учитывающий степень загрузки автомобиля; — коэффициент, учитывающий степень старения шины; — динамический коэффициент, т. е. учитывающий увеличение потерь газа-наполнителя при динамической деформации, по сравнению со статическими потерями; — коэффициент статических потерь внутреннего давления газа-наполнителя шины; t — период эксплуатации.

Далее эта модель может быть уточнена и тогда принимает вид:

, (7)

где kпмасс — коэффициент влияния нагружения шины максимальной допустимой вертикальной нагрузкой (при полной массе автомобиля), — коэффициент потери давления ненагруженной вертикальной нагрузкой шины (в результате диффузии).

Однако, в случае эксплуатации в различных режимах (городской/внегородской) одного и того же вида ПС необходимо ввести коэффициент режима движения:

, (8)

где — коэффициент влияния городского цикла движения на скорость потери газа в шине автомобиля, — коэффициент влияния внегородского цикла движения, lгор — доля городского участка движения, а 1-lгор — доля внегородского цикла движения.

Тогда:

(9)

или

, (10)

где кдор — коэффициент качества дорожного покрытия, — коэффициент учёта средней скорости движения, кклим — погодный коэффициент.

Данная модель может быть использована для определения потерянного шиной давления исходя из конкретных условий эксплуатации. А, отнеся это значение к норме давления и сравнив с нормой отклонения (рекомендовано 5 %), можно определить и спланировать оптимальную частоту контроля, как для отдельных маршрутов или даже единиц подвижного состава, так и для всего парка автомобилей (при однородных условиях эксплуатации).

Приводится теоретический обзор требований к устройствам поддержания давления для различных типов транспорта, которые можно оптимизировать с помощью вышеизложенной математической модели. На базе знаний об основных условиях и особенностях эксплуатации приводятся рекомендации к разработчикам подобных устройств. Эти рекомендации исходят, как из конструктивных особенностей и возможностей, так и из эксплуатационных условий.

В результате теоретических и экспериментальных исследований приводится расчёты и анализ затрат, вызванных повышением износа и риска выхода из строя автомобильных шин исходя из объёма продаж шин легковых и малых грузовых автомобилей.

Согласно ранее описанной методике наблюдения, было проведено исследование падения давления в процессе эксплуатации (с его подкачкой), которое позволило определить влияние отдельных факторов на интенсивность изменения давления в шинах (рис. 2). Это влияние определялось согласно таблицам группировок различных данных по принципу подобия и сопоставления их между собой.

Рис. 2. Изменение давления в процессе эксплуатации

Данные по состоянию давления в автомобильных шинах обрабатывались согласно ранее предложенной методике. Была проверена и подтверждена гипотеза о соответствии распределения нормальному отклонению с математическим ожиданием в 91 % от нормативного давления (рис.3).

Рис. 3. Гистограмма распределения опытных данных и выравнивающая её теоретическая кривая нормального закона распределения

Определено влияние частоты проверки давления на величину амплитуды температур, входящих в этот интервал измерений. По этим данным (рис.4) обоснована оптимальная периодичность проверки давления в 3 дня (средние колебания ниже 5 %).

Рис. 4. Влияние интервала контроля давления на величину среднего отклонения давления в шине

В качестве разработок, которые можно считать решением вопроса стабилизации давления можно предложить следующие:

  1. Средства восстановления давления, которые предназначены на облегчение и ускорения процесса проверки и/или восстановления нормативного давления. Принципиальной схемой можно считать предложенную на рис.5.

Огнетушитель.jpg

Рис. 5. Принципиальная схема системы восстановления давления

Представленная схема в качестве корпуса с газом может использовать готовый элемент (например, небольшой баллон с указателем давления, заправленный азотом или воздухом). Редуктор также имеет указатель заправляемого давления и предохранительный клапан, исключающий перекачку шины. Главное преимущество данной системы — возможность создать резервный запас азота, исключив необходимость постоянной подкачки на специальных пунктах закачки азотом, что экономит время и снижает затраты. Заправка баллона может осуществляться на заправочных станциях.

  1. Система поддержания давления кумулятивного типа (рис.6) позволяет поддерживать давление вне зависимости от режима эксплуатации за счёт создания резервного объёма газа в дополнительной полости и подачи его через редуктор. При этом происходит не только компенсация потерянного давления, но и создание аварийного резерва на случай повреждения целостности шины.

Рис. 6. Принципиальная схема системы стабилизации давления с компенсационной камерой

Таким образом, предложенные устройства позволят существенно стабилизировать давление в автомобильных шинах.

Литература:

  1. Гудков В. А. Анализ факторов, влияющих на изменение давления газа в шинах при эксплуатации / В. А. Гудков, И. М. Рябов, А. В. Сычев, К. В. Чернышев // Автотранспортное предприятие. — 2007. -№ 5. — С.46–48.
  2. Гудков В. А. Обоснование необходимости постоянного контроля давления в шинах автомобиля / В. А. Гудков, И. М. Рябов, А. В. Сычев // Шина плюс: всеукраинский журнал. — 2007. — № 2. — С.2–4.
  3. Гудков В. А. Обоснование необходимости постоянного контроля давления в шинах автомобиля / В. А. Гудков, И. М. Рябов, А. В. Сычев // Шина плюс: всеукраинский журнал. — 2007. — № 1. — С.2–5.
  4. Сычев А. В. Методика исследования диффузии газа в шине автомобиля / А. В. Сычев, И. М. Рябов// XI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 8–10 ноября 2006г.: тез. Докл./ВолгГТУ и др. — Волгоград, 2009.- С.85–86.;
  5. Рябов И. М. Влияние состава материала автомобильной шины на потери давления / И. М. Рябов, А. В. Сычёв// Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. IV Всерос. Конф., г.Камышин, 18–20 октября 2010г./ КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. — Камышин, 2010.-Т1.-С.93–95.
  6. Рябов И. М. Технологии применения и получения азота для наполнения автомобильных шин / И. М. Рябов, А. В. Сычёв// Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. IV Всерос. Конф., г.Камышин, 18–20 октября 2006г./ КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. — Камышин, 2006.-Т1.-С.96–97.
  7. Сычёв А. В. Проблемы давления в шинах в России и за рубежом / А. В. Сычёв, И. М. Рябов //Ежегодная XVIII междунар. Интернет –конф. Молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2006): матер. (тез. Докладов) конф. 27–29 декабря 2006г. / Ин-т машиноведения им. А. А. Благонравова РАН и др.- М., 2006.-С24.
  8. Рябов И. М., Поздеев А. В., Сурхаев Г. М., Федоров М. Е., Горина В. В. Способ повышения надежности пневматической подвески подвижного состава в зимних условиях эксплуатации // Молодой ученый. — 2018. — № 50. — С. 53–58.
Основные термины (генерируются автоматически): шина, градиент концентрации, материал шины, шина автомобиля, давление, ненормативное давление, нормативное давление, внегородский цикл движения, оптимальная периодичность проверки давления, III.


Ключевые слова

шина, давление, износ шин, автомобильные шины, шина автомобиля, градиент концентрации, материал шины

Похожие статьи

Методика расчёта изменений давления в шинах | Статья...

Негативное влияние ненормативного давления в шинах на эффективность эксплуатации АТС является общепризнанным фактом, как в России

Ключевые слова: автомобильные шины, давление, износ шин, шина, шина автомобиля, градиент концентрации, материал шины.

Определение линии действия эпюры давления колеса на опорную...

Давление колеса на опорную поверхность будет состоять из силы тяжести колеса , которая постоянна всем пятне контакта и силы созданной приложенным моментом F. Для вычисления силы F необходимо знать значения расстояния от каждого интервала до центра колеса.

Указатель давления воздуха в шинах | Статья в журнале...

Электроника колеса в каждой шине измеряет температуру шины и давление воздуха в ней. Полученные данные с определенной периодичностью посылаются на антенны в колесной нише. Эти антенны соединены с блоком управления системы контроля давления воздуха в...

Обзор существующих конструкций для повышения проходимости...

Границей, разделяющей шины низкого давления и шины сверхнизкого давления, считается внутреннее давление в шине равное 0,3 МПа.

Из-за большого удельного давления колеса автомобиля при движении по мягкой почве слишком глубоко погружаются в грунт.

Анализ методов расчета деформаций нежёстких дорожных одежд

Представлен краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований методик расчета деформаций нежёстких дорожных одежд. Анализ источников показал основные критерии расчета: упругий прогиб; сдвигоустойчивость подстилающего грунта и конструктивных слоев...

Общая методика исследования деформаций автомобильной...

В процессе эксплуатации шина транспортного средства подвергается действию различных сил и моментов, величины которых зависят от конструкции шины и режимов движения. При качении колеса по твердой поверхности шина деформируется.

Влияние атмосферного давления на организм человека

Влияние колебаний атмосферного давления на организм человека. Для нормальной жизнедеятельности организма необходимо, чтобы атмосферное давление составляло не менее 750 мм. рт. столба.

О стационарном притоке газа к скважине с учетом статического...

Получена более точная формула для распределения давления. Ключевые слова: начальный градиент, дебит, распределение давления

Этот эффект наблюдается, например, при движении газа в пористой среде и наличии глинистых фракций и остаточной воды.

Нагрузки от подвижного состава, действующие на подпорную стену

стены (пассивное давление) σп; вес грунта на малой консоли подпорной стены Р1; вес грунта по

Нормативная автомобильная колесная нагрузка НК-80 принимается для одной машины на

При расположении подпорной стены вдоль движения автотранспорта давление от колес...

Результаты расчета оценочных параметров устойчивости...

Устойчивость движения автомобиля зависит от многих факторов и параметров. Работы многих исследователей посвящены изучению этого вопроса. Авторами статьи сделано предположение о влиянии на величины расчетных оценочных параметров устойчивости...

Похожие статьи

Методика расчёта изменений давления в шинах | Статья...

Негативное влияние ненормативного давления в шинах на эффективность эксплуатации АТС является общепризнанным фактом, как в России

Ключевые слова: автомобильные шины, давление, износ шин, шина, шина автомобиля, градиент концентрации, материал шины.

Определение линии действия эпюры давления колеса на опорную...

Давление колеса на опорную поверхность будет состоять из силы тяжести колеса , которая постоянна всем пятне контакта и силы созданной приложенным моментом F. Для вычисления силы F необходимо знать значения расстояния от каждого интервала до центра колеса.

Указатель давления воздуха в шинах | Статья в журнале...

Электроника колеса в каждой шине измеряет температуру шины и давление воздуха в ней. Полученные данные с определенной периодичностью посылаются на антенны в колесной нише. Эти антенны соединены с блоком управления системы контроля давления воздуха в...

Обзор существующих конструкций для повышения проходимости...

Границей, разделяющей шины низкого давления и шины сверхнизкого давления, считается внутреннее давление в шине равное 0,3 МПа.

Из-за большого удельного давления колеса автомобиля при движении по мягкой почве слишком глубоко погружаются в грунт.

Анализ методов расчета деформаций нежёстких дорожных одежд

Представлен краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований методик расчета деформаций нежёстких дорожных одежд. Анализ источников показал основные критерии расчета: упругий прогиб; сдвигоустойчивость подстилающего грунта и конструктивных слоев...

Общая методика исследования деформаций автомобильной...

В процессе эксплуатации шина транспортного средства подвергается действию различных сил и моментов, величины которых зависят от конструкции шины и режимов движения. При качении колеса по твердой поверхности шина деформируется.

Влияние атмосферного давления на организм человека

Влияние колебаний атмосферного давления на организм человека. Для нормальной жизнедеятельности организма необходимо, чтобы атмосферное давление составляло не менее 750 мм. рт. столба.

О стационарном притоке газа к скважине с учетом статического...

Получена более точная формула для распределения давления. Ключевые слова: начальный градиент, дебит, распределение давления

Этот эффект наблюдается, например, при движении газа в пористой среде и наличии глинистых фракций и остаточной воды.

Нагрузки от подвижного состава, действующие на подпорную стену

стены (пассивное давление) σп; вес грунта на малой консоли подпорной стены Р1; вес грунта по

Нормативная автомобильная колесная нагрузка НК-80 принимается для одной машины на

При расположении подпорной стены вдоль движения автотранспорта давление от колес...

Результаты расчета оценочных параметров устойчивости...

Устойчивость движения автомобиля зависит от многих факторов и параметров. Работы многих исследователей посвящены изучению этого вопроса. Авторами статьи сделано предположение о влиянии на величины расчетных оценочных параметров устойчивости...

Задать вопрос