XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Роботизированный шиномонтажный грузовик на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Столбов А.П. 1Домрачев П.И. 1Савлуков Ю.М. 1Мальцев Р.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Нагорная П.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире, когда автомобиль стал не просто средством передвижения, а неотъемлемой частью жизни, от его исправности и, в частности, от состояния шин, зависит очень многое. Это и личная безопасность, и безопасность окружающих, и экономичность эксплуатации транспортного средства, и даже экологический аспект. Именно поэтому актуальность качественного и своевременного шиномонтажа не просто сохраняется, а возрастает с каждым годом.

Актуальность шиномонтажа продиктована не только сезонными потребностями, но и постоянным стремлением к повышению эффективности и долговечности автомобильных компонентов. Состояние шин напрямую влияет на управляемость транспортного средства, тормозной путь, расход топлива и даже на износ других узлов подвески.

Жизнь протекает в динамичном мире, где дороги меняются, климатические условия преподносят сюрпризы, а технологии производства шин и оборудования для их обслуживания не стоят на месте. Все это требует от специалистов в области шиномонтажа постоянного развития, освоения новых методик и применения современного оборудования.

Целью нашего исследования является создание роботизированного шиномонтажного грузовика на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение информации о шиномонтаже;

2. Рассмотрение видов и особенностей шиномонтажа;

3. Создание модели роботизированного шиномонтажного грузовика на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3;

4. Разработка программы для шиномонтажного грузовика;

5. Проведение экспериментов для проверки эффективности и работоспособности разработанного робота.

Гипотеза: шиномонтаж – это не просто "поменять колеса", а комплексная услуга, требующая профессионализма и ответственности.

Глава 1. Основная информация о шиномонтаже.

1. 1. Появление шиномонтажа.

История шиномонтажа, как и многих других изобретений, тесно связана с развитием транспорта и, в частности, с появлением пневматических шин. До их изобретения, когда колеса были деревянными или металлическими, а затем обтянутыми цельнолитой резиной, проблемы с проколами или износом решались заменой всего колеса или его части, что было трудоемко и дорого.

Предпосылками к появлению являлось изобретение пневматической шины, рост автомобилестроения и отсутствие специализированных инструментов.

Ключевым моментом стало изобретение пневматической шины Джоном Бойдом Данлопом в 1888 году. Эта инновация значительно улучшила комфорт и управляемость транспортных средств, но одновременно породила новую проблему – необходимость ремонта проколов и замены изношенных шин [1].

С началом массового производства автомобилей в начале XX века, количество транспортных средств на дорогах резко возросло. Это привело к увеличению спроса на услуги по обслуживанию шин, поскольку проколы и повреждения были частым явлением на тогдашних неровных дорогах.

В первые годы автомобилестроения, водители и механики были вынуждены справляться с ремонтом шин подручными средствами. Это было грязно, тяжело и требовало значительных физических усилий, особенно при работе с крупными и тяжелыми шинами (Рисунок 1.1.1, Приложение)

Изначально, ремонт шин осуществлялся либо самими водителями, либо в общих механических мастерских, которые занимались ремонтом всего автомобиля. Однако, по мере того как шины становились более сложными, а их ремонт требовал специфических навыков и инструментов, возникла потребность в специализированных сервисах.

Можно выделить несколько этапов в появлении первого шиномонтажа в современном понимании:

1. "Домашний" ремонт и придорожные мастерские (конец XIX - начало XX века): На этом этапе водители часто возили с собой запасные камеры и инструменты для самостоятельного ремонта. Придорожные кузницы и небольшие мастерские могли предложить помощь, но это не было их основной специализацией.

2. Появление специализированных "шинных" отделов в автосервисах (1910-1920-е годы): По мере роста популярности автомобилей, крупные автосервисы начали выделять отдельные зоны или даже целые отделы, посвященные ремонту и замене шин. Здесь уже использовались более специализированные инструменты, такие как рычаги для демонтажа шин и вулканизаторы для ремонта камер. (Рисунок 1.1.2, Приложение)

3. Открытие первых независимых шиномонтажных мастерских (1920-1930-е годы): Именно в этот период начинают появляться первые предприятия, основной или даже единственной специализацией которых был шиномонтаж. Эти мастерские предлагали полный спектр услуг: демонтаж, ремонт проколов (вулканизация), балансировку (хотя она была еще очень примитивной) и установку новых шин [1].

Ключевые инновации, способствовавшие развитию шиномонтажа:

• Вулканизация: Открытие процесса вулканизации резины Чарльзом Гудьиром в 1839 году стало фундаментальным для ремонта шин. Это позволило надежно "заплавлять" проколы и порезы, продлевая срок службы шины.

• Развитие инструментов: Появление специализированных монтажных лопаток, домкратов, а затем и первых механизированных станков для демонтажа и монтажа шин значительно упростило и ускорило процесс.

• Балансировка колес: Хотя первые методы балансировки были очень грубыми (например, с помощью грузиков, прикрепляемых к ободу), осознание ее важности для комфорта и безопасности стало еще одним шагом к профессионализации шиномонтажа.

Первые специалисты по шиномонтажу были, как правило, людьми с техническим складом ума, которые быстро осваивали новые технологии и инструменты. Это могли быть бывшие механики, кузнецы, или просто предприимчивые люди, видевшие потребность рынка. Их мастерские часто были небольшими, располагались на оживленных улицах или возле крупных дорог, где поток автомобилей был наиболее интенсивным [2].

Особенности первых шиномонтажей:

• Ручной труд: Несмотря на появление первых инструментов, большая часть работы по-прежнему выполнялась вручную. Снять тяжелую шину с обода, установить новую камеру, накачать ее до нужного давления – все это требовало значительных физических усилий (Рисунок 1.1.3, Приложение)

• Примитивное оборудование: Первые вулканизаторы были громоздкими и требовали времени для нагрева. Балансировка колес часто сводилась к визуальной оценке и добавлению грузиков "на глаз".

• Ограниченный ассортимент: в начале своего пути шиномонтажи предлагали в основном ремонт камер и установку новых шин. Широкий выбор брендов и типоразмеров был еще впереди.

• Доверие и репутация:в те времена, когда технологии были менее стандартизированы, а качество материалов могло варьироваться, репутация мастера играла огромную роль. Хороший шиномонтажник, который мог надежно отремонтировать шину и дать дельный совет, ценился на вес золота.

Появление специализированных шиномонтажей стало важным шагом в развитии автомобильной индустрии. С течением времени, технологии развивались, оборудование становилось более совершенным, а услуги шиномонтажей расширялись, но их основная миссия – поддержание колес в рабочем состоянии – осталась неизменной.

1.2 Виды и особенности шиномонтажа.

Шиномонтаж – это комплекс услуг, направленных на обслуживание, ремонт и замену автомобильных шин и дисков. От правильного и своевременного шиномонтажа напрямую зависит безопасность движения, управляемость автомобиля, комфорт водителя и пассажиров, а также срок службы самих шин и подвески [3].

Шиномонтаж включает в себя широкий спектр услуг, которые можно условно разделить на несколько основных категорий:

1. Демонтаж и монтаж шин - самая базовая и часто выполняемая операция. Она включает в себя:

Демонтаж: Снятие колеса с автомобиля, разбортировка шины с диска. Этот процесс требует аккуратности, чтобы не повредить ни шину, ни диск, ни датчики давления в шинах (если они есть).

Монтаж: Наборка новой или отремонтированной шины на диск. Важно правильно расположить шину на диске, учитывая направление вращения (если оно указано) и симметричность.

Особенности:

Типы шин: Существуют шины с низким профилем, Run-Flat (с возможностью движения на спущенной шине), радиальные и диагональные. Каждый тип требует специфического подхода при монтаже и демонтаже.

Типы дисков: Стальные и легкосплавные диски имеют свои особенности. Легкосплавные диски более подвержены царапинам и деформации, поэтому требуют более деликатного обращения.

Датчики давления (TPMS): При работе с колесами, оснащенными датчиками давления, необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы не повредить их.

2. Балансировка – это процесс выравнивания распределения массы колеса (шины и диска в сборе) для предотвращения вибраций при движении. Несбалансированное колесо вызывает: ускоренный износ шин (пятнами), повышенную нагрузку на элементы подвески и рулевого управления, вибрации на рулевом колесе и кузове автомобиля., снижение комфорта и управляемости (Рисунок 1.2.1, Приложение)

Особенности:

Статическая балансировка: Устраняет биение колеса в вертикальной плоскости.

Динамическая балансировка: Устраняет биение колеса в горизонтальной плоскости, что более важно для высоких скоростей. Современные балансировочные станки выполняют динамическую балансировку.

Грузики: Для балансировки используются специальные грузики, которые крепятся на обод диска. Тип грузиков (клеящиеся или набивные) зависит от типа диска.

Частота: Балансировку рекомендуется проводить при каждой сезонной смене шин, а также после ремонта шины или диска, или при появлении вибраций.

3. Ремонт шин. Он позволяет продлить срок службы поврежденной шины и избежать ее преждевременной замены. Основные виды ремонта:

Ремонт проколов: Наиболее распространенный вид ремонта. Может выполняться с помощью жгутов (временный ремонт) или вулканизации (более надежный и долговечный ремонт) (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Ремонт порезов: Более сложный вид ремонта, требующий применения специальных заплаток и вулканизации. Размер и расположение пореза определяют возможность и метод ремонта.

Ремонт боковых повреждений: Ремонт боковой части шины является наиболее сложным и часто невозможным из-за особенностей конструкции шины. В большинстве случаев боковые повреждения являются основанием для замены шины [3].

Особенности:

Типы повреждений: Не все повреждения подлежат ремонту. Проколы в протекторе, не превышающие определенный размер, обычно ремонтируются. Поезы и повреждения боковой части часто делают шину непригодной для дальнейшей эксплуатации.

Материалы: Для ремонта используются специальные ремонтные материалы, такие как жгуты, заплатки, кордовые заплатки и вулканизационные составы.

Технология: Ремонт должен проводиться квалифицированным специалистом с использованием специализированного оборудования.

4. Ремонт дисков. Помимо шин, ремонту могут подлежать и диски, особенно при деформациях или повреждениях (Рисунок 1.2.3, Приложение)

Правка дисков: Устранение восьмерки (биения) диска. Выполняется на специальном станке.

Сварка дисков: Ремонт трещин или сколов на дисках.

Покраска дисков: Восстановление внешнего вида дисков, защита от коррозии

5. Сезонный шиномонтаж – это регулярная смена летних шин на зимние и наоборот. Это не просто рекомендация, а требование безопасности и, во многих регионах, законодательное предписание.

Особенности:

Сроки: Обычно летние шины меняют на зимние при стабильном снижении температуры ниже +7°C, а зимние на летние – при стабильном повышении выше этой отметки.

Хранение шин: Многие шиномонтажные центры предлагают услуги по сезонному хранению шин. Правильное хранение (в сухом, прохладном месте, без прямого солнечного света, в определенном положении) продлевает срок службы шин.

Проверка состояния: При каждой сезонной смене шин рекомендуется проводить тщательный осмотр как снимаемых, так и устанавливаемых шин на предмет износа, повреждений и остаточной глубины протектора.

6. Мобильный шиномонтаж – это услуга, при которой специализированный автомобиль, оснащенный всем необходимым оборудованием, выезжает к клиенту для выполнения шиномонтажных работ.

Особенности:

Удобство: Идеально подходит для тех, кто ценит время и не хочет тратить его на поездку в стационарный шиномонтаж.

Экстренная помощь: Незаменим в случае прокола или повреждения шины в дороге, когда нет возможности доехать до сервиса.

Ограничения: Некоторые сложные виды ремонта (например, правка сильно деформированных дисков) могут быть недоступны на выезде [4].

Таблица 1.2.1 Особенности шиномонтажа для разных видов ТС.

Глава 2. Создание роботизированного шиномонтажного грузовика

2.1 Конструкция робота и его функционал

Для улучшения шиномонтажа мы сконструировали и запрограммировали роботизированного шиномонтажного грузовика на базе конструктора Mindstorms EV3, способного автономно выезжать на вызовы, диагностировать повреждения и производить замену колес прямо на месте, минимизировать время простоя и повышая безопасность на дорогах (Рисунок 2.1.1, Приложения).

Основная задача этого робота – автоматизированная замена колес, включая снятие старого колеса, установку нового, балансировку и накачку до заданного давления. Кроме того, он способен выполнять диагностику состояния шин и дисков, выявляя износ, повреждения или деформации, и передавать эту информацию оператору для принятия дальнейших решений.

В нашей модели роботизированного шиномонтажного грузовика на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3, используется:

• Модуль, который осуществляет подключение датчиков и моторов (Рисунок 2.1.2, Приложения);

• Ультразвуковой датчик для обнаружения препятствий (Рисунок 2.1.3, Приложения);

• Датчик касания, позволяющий произвести запуск робота (Рисунок 2.1.4, Приложения);

• Большой мотор, который осуществляет движение грузовика (Рисунок 2.1.5, Приложения);

• Средний мотор для поднятия и опускания платформы (Рисунок 2.1.6, Приложения);

Роботизированный шиномонтажный грузовик поможет сократить время простоя транспортных средств, обеспечивая быструю и точную замену шин в полевых условиях, увеличить безопасность работников, исключая необходимость ручного подъёма тяжёлых колёс и использования опасных инструментов.

2.2 Описание программы для робота

Программа универсального робота для доставки создана в среде LEGO Mindstorms Education EV3. При нажатии на датчик касания, грузовик двигается вперед до того момента, пока не увидит машину, которой нужен шиномонтаж. Далее останавливается, опускает платформу и загружает машину на себя. Внутри происходит замена колеса, машина выезжает, и платформа поднимается.

Алгоритм программы следующий (Рисунок 2.2.1, Приложение):

1. Запуск программы;

2. Ожидание нажатия на датчик касания;

3. Движение грузовика;

4. Ожидание сигнала от ультразвукового датчика;

5. Остановка грузовика;

6. Опускание платформы;

7. Ожидание, пока загрузится машина;

8. Звук;

9. Поднятие платформы;

10. Движение грузовика вперед;

Структура программы линейная, имеет два условия:

Первое, согласно датчику касания, который запускает движение грузовика. Второе, ультразвуковой датчик останавливает грузовик, когда видит препятствие.

Заключение

В заключение, можно с уверенностью сказать, что роботизированный шиномонтажный грузовик на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3, несмотря на свои ограничения как образовательного прототипа, демонстрирует огромный потенциал для улучшения процесса шиномонтажа.

Он способен сделать его более качественным, быстрым, безопасным и менее трудоемким. Этот проект служит ярким примером того, как современные технологии, даже в своей начальной форме, могут предложить инновационные решения для существующих проблем, открывая новые горизонты для автоматизации и повышения эффективности в различных отраслях. Дальнейшее развитие и масштабирование этой концепции может привести к созданию нового поколения мобильных сервисных станций, способных революционизировать сферу обслуживания транспортных средств.

В конечном итоге, внедрение роботизированных решений в шиномонтаж – это не просто вопрос удобства, а стратегический шаг к повышению безопасности дорожного движения, оптимизации ресурсов и созданию более эффективной и технологичной инфраструктуры обслуживания транспорта.

Список использованных источников

1. http://www.dailyauto.ru/2018/03/21/shinomontazh-istoriya-razvitiya-i-osobennosti-sovremennyx-uslug/

2. https://www.collegenews.ru/spjecialnosti/himicheskie-tekhnologii/master-shinomontazhnoj-masterskoj.html

3. https://centr-to.ru/blog/shinomontazhnoe-oborudovanie/shinomontajnye-raboty

4. https://mtyre.ru/articles/vidy-shinomontazha/

ПРИЛОЖЕНИЯ