СПОСОБ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ, ВЫДЕРЖИВАЕМОЙ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ШИНОЙ АВТОМОБИЛЯ
METHOD TO EVALUATE DYNAMIC LOAD MAINTAINED BY PNEUMATIC CAR TYRE

Изобретение относится к способу оценки динамической нагрузки, выдерживаемой пневматической шиной автомобиля при езде в заданный период времени. Изобретение предлагает также способ оценки нагрузки, выдерживаемой упомянутой пневматической шиной.
Хотя изобретение и не ограничено такими видами использования, оно, главным образом, касается пневматических шин, предназначенных для автомобилей типа самосвалов. Самосвал является машиной, предназначенной для гражданского строительства и перевозки тяжелых грузов в карьерах и рудниках.
Эти автомобили содержат обычно направляющий передний мост с двумя управляемыми колесами и, обычно, жестко закрепленный задний мост с четырьмя ведущими колесами по два с каждой стороны. Мост является совокупностью элементов, обеспечивающей жесткое соединение автомобиля с землей.
В случае таких автомобилей, предназначенных для использования в рудниках или карьерах для транспортировки грузов, трудности доступа и требования к кпд вынуждают изготовителей этих автомобилей увеличивать их грузоподъемность. Отсюда следует, что автомобили становятся все более и более большими и, следовательно, все более тяжелыми и могут перевозить все более и более значительный груз. Современные массы этих автомобилей могут достигать нескольких сотен тонн и это касается также перевозимого груза; общая масса может достигать 600 тонн.
Нагрузочная способность автомобиля непосредственно связана с нагрузочной способностью пневматических шин, конструкция пневматических шин должна соответствовать такой динамике для выпуска пневматических шин, способных выдерживать напряжения в процессе эксплуатации.
Таким образом, желательно, знать применение этих пневматических шин в особенности при нагрузках, которые они испытывают в процессе их использования. Последние, с одной стороны, связаны с перевозимым грузом и, с другой стороны, с использованием автомобиля и, в особенности, от природы поверхности и от проложенных путей, по которым перемещается автомобиль.
Знание этих нагрузок может позволить лучше понять природу постоянных повреждений пневматических шин и даже помочь конструированию пневматических шин.
Действительно, настоящая заявка направлена, прежде всего, на повышение нагрузочной способности машин такого типа, при этом различные, ранее заявленные параметры заставляют конструкторов пневматических шин оптимизировать упомянутые пневматические шины, в частности, с учетом их использования. Для определения нагрузки, выдерживаемой каждой из пневматических шин автомобиля, используются различные способы.
Первый, часто используемый способ заключается в измерении давления в элементах подвески автомобиля. Это давление непосредственно связано с нагрузкой, которую несет элемент подвески. Однако трения и амортизации внутри этих элементов подвески искажают оценку реально выдерживаемых нагрузок и, в частности, динамических нагрузок. Кроме того, в частности, в том, что касается заднего моста, практически невозможно точно определить распределение нагрузки между различными пневматическими элементами, в частности, вследствие наличия сдвоенных колес с обеих сторон шасси.
Другой известный способ определения нагрузки, выдерживаемой пневматической шиной, заключается в измерении высоты относительно земли, например, с помощью ультразвуковой или лазерной телеметрии и в вычитании провеса упомянутой пневматической шины, при этом упомянутый провес связан непосредственно с нагрузкой и с давлением. Такое измерение при известности давления накачки эффективно отражает нагрузку, когда пневматическая шина катится по плоской поверхности. Но движение по дороге, образованной сыпучей землей, или по дороге с рытвинами или крупным щебнем полностью искажают картину измерения. Действительно, так как устройства, будучи обычно размещенными со смещением со стороны пневматической шины, искажают измерение из-за местных изменений высоты поверхности земли. Кроме того, осуществление такого измерения является весьма сложным, так как системы измерений чувствительны к условиям измерений и, в частности, пыль и температура могут исказить измерения.
Другой метод заключается в том, что накачиваемый воздух может быть приравнен к идеальному газу и должен удовлетворять отношению p.V = n.R.T, связывающему давление р, объем V и температуру Т, при этом n равно числу молей газа, а R равно универсальной постоянной идеальных газов. Провес пневматической шины, который связан с нагрузкой, выдерживаемой последней, приводит к изменению ее внутреннего объема. Измерения давления и температуры в пневматической шине позволяют, таким образом, вычесть их из изменений объема и, таким образом, из изменений нагрузки, выдерживаемой пневматической шиной. Действительно, введение датчика температуры в полость пневматической шины не всегда является легким вследствие кривизны клапанов. Кроме того, размер пневматических шин самосвала приводит к неравномерности температур внутри полости пневматической шины. Действительно, существуют значительные температурные градиенты, связанные с использованием этих пневматических шин: с одной стороны, фазы остановки не позволяют постоянно перемешивать воздух и, с другой стороны, существует значительный теплообмен вблизи обода пневматической шины.
Заявитель поставил перед собой задачу осуществить более точную оценку нагрузки, выдерживаемой пневматической шиной при движении, и/или более простую при внедрении, чем оценки, имеющиеся в распоряжении в настоящее время, учитывая методы, упомянутые выше.
В соответствии с изобретением эта задача решается способом оценки динамической нагрузки, выдерживаемой пневматической шиной автомобиля при движении в заданный период времени, в соответствии с которым измеряют давление в этот период, а в каждой точке измерения давления определяют давление, определяемое как опорное той же пневматической шины, подвергаемой постоянной и непрерывной нагрузке в интервалах времени и в каждой точке измерения давления, рассчитывают изменение нагрузки, исходя из разности между измеренным давлением и опорным давлением, и модели пневматической шины, установленной предварительно, и привязывают изменение нагрузки к изменению давления.
В соответствии с изобретением динамическую нагрузку приравнивают к изменению нагрузки, которую испытывает пневматическая шина при движении.
Интервал времени, предпочтительно, соответствует состоянию нагрузки автомобиля и, таким образом, постоянной статической нагрузке, приходящейся на каждую из пневматических шин.
В соответствии с изобретением статическая нагрузка является нагрузкой, выдерживаемой пневматической шиной, когда автомобиль стоит на ровной земле.
Считая, что изменения давления внутри пневматической шины связаны, с одной стороны, с изменениями нагрузки, выдерживаемой пневматической шиной, и, с другой стороны, с изменениями температуры накачанного воздуха, Заявитель сумел избавиться от измерения температуры и ограничиться единственным измерением давления для определения динамических нагрузок, выдерживаемых пневматической шиной. Заявитель выявил, что частоты, с которыми изменяются давление и температура накачанного воздуха, различны в зависимости от того, что они вызваны температурными изменениями пневматической шины или обода либо они вызваны изменениями нагрузки при движении пневматической шины.
Действительно, заявитель смог показать, что изменения на низких частотах вызваны нагревом за счет теплообмена между пневматической шиной и ободом. Нагрев пневматической шины вызван явлениями гистерезиса материалов, из которых она выполнена, и, таким образом, напряжениями, которые испытывают эти материалы в процессе движения. Нагрев обода вызван наличием тормозных устройств и передачи в колесе. Учитывая большую тепловую инерцию пневматической шины и обода, соответствующие частоты изменений температуры и накачанного воздуха, связанные с этими явлениями, значительно ниже 1Гц.
Кроме того, заявитель показал, что изменения давления, связанные с изменениями нагрузки, которые соответствуют преобразованию накачанного воздуха в процессе расплющивания либо расширения, когда полость пневматической шины принимает первоначальный объем, происходят обычно на частотах порядка 1-2 Гц и даже выше.
В соответствии с изобретением измерение давления в процессе периода используется для определения опорного давления пневматической шины, подвергаемой постоянной нагрузке в известный интервал времени. Очевидность в различиях частот позволяет заявителю планировать обработку сигнала, измеренного в рассматриваемом периоде, для устранения эффекта изменений нагрузки в рассматриваемом периоде и, таким образом, определить для каждой точки опорное давление, которое изменяется вследствие изменений температуры в период измерения и соответствует, таким образом, использованию пневматической шины при постоянной нагрузке.
Затем, зная это опорное давление в каждой точке измерения, можно рассчитать изменение давления между измеренным давлением и определенным опорным давлением.
Наконец, исходя из предварительно установленной пневматической модели, связывающей изменение нагрузки с изменением давления относительно известного первоначального состояния, определяют динамическую нагрузку, выдерживаемую пневматической шиной.
В соответствии с отношением между изменением нагрузки и изменением давления, взятого в качестве эталонного, получаемая средняя нагрузка может быть отлична от известной статической нагрузки. В этом случае необходимо осуществить общее корректирование общего давления и повторить расчет изменений давления и установку изменений нагрузки.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения определение опорного давления той же пневматической шины, подвергаемой постоянному давлению в интервал времени, получают путем корректировки полинома измеренного сигнала для каждого интервала времени измерения давления. Такое отношение позволяет просто избавиться от изменений наиболее высоких частот, чтобы выделить низкочастотное изменение давления, вызванное изменениями температур, исходящих от материалов пневматической шины или колеса. Постоянная нагрузка в интервал времени соответствует нагрузке, выдерживаемой пневматической шиной, когда автомобиль находится на стоянке или ровной поверхности в течение каждого из этих интервалов времени.
Эта постоянная нагрузка в интервал времени известна, например, вследствие воздействий, оказываемых пневматической шиной в каждый из интервалов времени, либо становится доступной благодаря устройствам оценки выдерживаемой нагрузки, связанным с элементами подвески.
В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения определение опорного давления одной и той же пневматической шины под постоянной нагрузкой может быть осуществлено другим типом обработки сигнала, например фильтрами.
Предпочтительно в соответствии с изобретением независимо от используемой обработки сигнала последняя осуществляется с помощью ЭВМ и компьютерных программ.
Предпочтительно в соответствии с изобретением моделью пневматической шины является система номограмм и/или цифровая модель. Предварительно необходимо разработать такую модель пневматической шины, которая позволит рассчитать изменение нагрузки, выдерживаемое пневматической шиной, соответствующее изменению заданного давления, исходя из разности между измеренным давлением и соответствующим опорным давлением в термически контролируемых условиях.
Эти термически контролируемые условия достигаются предпочтительно моделью, основанной на постоянных температурах обода и пневматической шины.
Предпочтительно также, чтобы модель пневматической шины была установлена относительно земли, подобной земле, используемой при измерении, чтобы принять во внимание возможную деформацию земли под пневматической шиной, которая может оказать влияние на изменение давления, в частности, в случае сыпучей земли.
В соответствии с вариантом изобретения контрольное испытание осуществляют циклически с автомобилем, например, типа самосвала, при этом период измерения включает, по меньшей мере, последовательно, интервал порожнего времени и интервал времени движения с грузом.
В соответствии с этим вариантом изобретения только данные о статической нагрузке, выдерживаемой пневматической шиной порожнего автомобиля, позволяют оценить нагрузку, выдерживаемую пневматической шиной в процессе всего периода измерения. Информация о нагрузке, выдерживаемой пневматической шиной, когда автомобиль не загружен, сообщается конструктором автомобиля или может быть измерена любым известным специалисту способом.
Определение опорного давления одной и той же пневматической шины, подвергнутой постоянной нагрузке, получают путем выравнивания полиномов по сигналам, измеренным для периодов измерения давления, когда автомобиль является порожним. Интерполяция или экстраполяция этих сигналов по периодам передвижения с грузом позволит оценить опорное давление для этих периодов езды с грузом, соответствующее постоянной нагрузке, равной перевозимому грузу, когда автомобиль является порожним.
Изобретение предлагает также способ оценки нагрузки, выдерживаемой автомобилем, при движении в заданный период, включающий, по меньшей мере, последовательно, интервал времени движения порожняком и интервал времени движения с грузом, в соответствии с которым измеряют давление в процессе периода; в каждой точке измерения давления порожней фазы определяют давление, называемое опорным, той же пневматической шины, подвергнутой постоянной нагрузке, вычитают давление, называемое опорным, в каждой точке измерения давления в фазах движения с грузом и в каждой точке измерения давления рассчитывают нагрузку, исходя из разности опорного давления и модели пневматической шины, установленной предварительно, и связывают изменение нагрузки с изменением давления.
Как показано выше, вычитание давления, называемого опорным, в каждой точке измерения давления в фазах движения с нагрузкой той же пневматической шины, подвергаемой постоянной нагрузке, и, предпочтительно, получаемое интерполяцией или экстраполяцией определенных сигналов давления, называемого опорным, одной и той же пневматической шины, подвергаемой постоянной нагрузке в процессе порожней фазы.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет выдержку записи давления накачки пневматической шины в зависимости от времени,
- фиг.2 представляет результат обработки фиг.1 для выделения фазы движения с грузом и порожняком,
- фиг.3 изображает кривые опорного давления, наложенные на сигнал по фиг.1, для каждого из интервалов времени, соответствующих состоянию известной нагрузки автомобиля,
- фиг.4 изображает кривую, наложенную на сигнал по фиг.1, соответствующую постоянной нагрузке, равной статической нагрузке порожнего автомобиля,
- фиг.5 изображает кривую, представляющую собой измерения нагрузок в зависимости от времени.
Представленный выше пример был осуществлен на самосвале типа Komatsu 930Е, оборудованном шестью пневматическими шинами типа 53/80R63, перемещающемся в руднике под открытым небом.
Каждая из шести пневматических шин автомобиля содержит датчик давления накачки. Речь идет о датчиках, установленных на клапанах накачки пневматических шин.
Фиг.1 представляет график записанного сигнала 1. Он изображает измерение давления воздуха накачки пневматической шины в зависимости от времени в процессе периода трех циклов движения, при этом один цикл включает одну фазу движения порожняком и одну фазу движения с грузом.
Первый этап заключается в идентификации фаз, соответствующих трем различным состояниям нагрузки автомобиля, точнее, в данном случае, фазам, в которых автомобиль движется с грузом, и фазам, в которых автомобиль движется порожняком.
Такой этап может быть осуществлен вручную оператором при простом наблюдении сигнала. Более быстрый метод заключается в автоматизации этого этапа путем использования, например, полосового фильтра. С одной стороны, стремятся удалить существенные изменения давления, вызванные изменениями температуры, с помощью фильтра верхних частот, и существенные изменения давления, связанные с изменениями динамической нагрузки, с помощью фильтра нижних частот. Периоды, в течение которых автомобиль находится под нагрузкой, соответствуют, таким образом, периодам, в которых обрабатываемый сигнал превышает заданный порог и, наоборот, периоды, в течение которых автомобиль является порожним, соответствуют периодам, в течение которых обрабатываемый сигнал ниже этого порога. Результат этого этапа представлен на фиг.2. Зоны наименьших давлений 2, 4, 6 соответствуют фазам движения порожняком, а зоны наибольших давлений 3, 5, 7 соответствуют фазам движения с грузом.
В случае, когда статическая нагрузка, выдерживаемая пневматической шиной, известна для каждой из вышеописанных фаз, например с помощью взвешиваний, второй этап заключается в определении в каждой точке измерения каждой фазы, взятой отдельно, опорного давления, соответствующего давлению, которому пневматическая шина подвергалась бы при тех же изменениях температуры и при постоянной нагрузке, равной статической нагрузке.
Этот второй этап осуществлен либо обработкой с помощью низкочастотного фильтра для исключения изменений, связанных с динамикой автомобиля в зонах движения порожняком, либо полиноминальной корректировкой сигнала, измеренного для каждой из этих фаз. Таким образом, мы получаем оценку опорных давлений, представленных на фиг.3 кривыми 8, 9, 10, 11, 12 и 13.
Заявитель предлагает также улучшить оценку этих опорных давлений путем исключения начала и конца каждой из фаз для того, чтобы не принимать во внимание моменты, соответствующие периодам загрузки и разгрузки.
В случае, когда принимается во внимание только статическая нагрузка, соответствующая порожнему автомобилю, второй этап обработки сигнала при распределении измерительного сигнала и при наличии в соответствии с первым этапом хронологически расположенных различных фаз, в процессе которых автомобиль находится под нагрузкой, и фаз, в процессе которых он движется порожняком, заключается в определении для каждой точки измерения фаз движения порожняком опорного давления, соответствующего давлению, которое имела бы пневматическая шина, подвергнутая тем же изменениям температуры, но при нагрузке постоянной и равной нагрузке, которую она выдерживала бы, когда автомобиль не нагружен.
Как указано выше, этот второй этап осуществляется либо обработкой с помощью фильтра нижних частот для исключения изменений, связанных с динамикой автомобиля в зонах движения порожняком, либо по полиноминальной корректировке сигнала, измеренного в этих зонах. Таким образом, мы получаем оценку опорного давления, проиллюстрированного на фиг.4 частями кривой 8, 10, 12 каждой из зон 2, 4, 6, соответствующих фазам движения порожняком.
Заявитель, как следует из вышеописанного, предлагает для улучшения оценки этих опорных давлений исключить начало и конец каждой из зон движения порожняком, чтобы не принимать во внимание время, соответствующее периодам загрузки и разгрузки.
Опять же, в случае, когда принимается во внимание только статическая нагрузка, соответствующая порожнему автомобилю, третий этап заключается в интерполяции или экстраполяции кривых, полученных в зонах движения порожняком для оценки опорного давления в зонах движения с грузом. Заявитель предлагает осуществить полиноминальные интерполяции между каждой из кривых, полученных в зонах движения порожняком. Это приводит к частям кривой 14, 15, 16.
Во всех случаях в процессе следующего этапа возможно в каждой из точек измерения определить разность между измеренным давлением и опорным давлением.
Изменения полученного таким образом давления преобразуется в изменение нагрузки, исходя из предварительно определенной модели.
На фиг.5 кривая 17 иллюстрирует выдерживаемую пневматической шиной нагрузку в зависимости от времени.
С учетом вышеизложенного, такая оценка нагрузки, выдерживаемой пневматическими шинами, которыми оборудован самосвал, позволит лучше понять природу некоторых аварий и позволит адаптировать конструкцию пневматических шин к использованию, которому они подвергаются.
Эти информации о нагрузке, выдерживаемой пневматической шиной, дают также другие преимущества. Например, можно рекомендовать пользователю, то есть водителю автомобиля, корректировать его движение в некоторых обстоятельствах с целью уменьшения изменений нагрузки на некоторые пневматические шины на определенных дорогах, по которым он передвигается. Например, рекомендация замедления в зоне, в которой это не кажется необходимым, может позволить уменьшить последующее торможение и, вследствие этого, перенос нагрузки, оказываемой на пневматические шины переднего моста автомобиля, либо ограничить вибрации. Такая коррекция вождения может также позволить исключить поддержание в пневматических шинах весьма значительных величин нагрузок, приводящих к возможным неисправностям пневматической шины. Для такого применения предпочтительно осуществить расчет опорного давления и нагрузки в режиме реального времени.
Можно также осуществить индикацию температуры пневматических шин. Действительно, информация о нагрузках, выдерживаемых пневматическими шинами, вкупе с измерением скорости позволяет иметь информацию о ТКРН (Тонна.Км/час) для каждой из пневматических шин.
Кроме информации о пневматической шине эти информации о нагрузке, выдерживаемой пневматической шиной, позволяют также иметь знание об общей нагрузке, транспортируемой автомобилем.
Можно также использовать эти указанные сведения о нагрузке, выдерживаемой каждой из пневматических шин, для улучшения трассы или ее обслуживания, как только динамические нагрузки станут весьма значительными.