автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование конструкционных параметров инерционно-фрикционного амортизатора подвески АТС

на правах рукописи

Воробьёв Вениамин Вениаминович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНЕРЦИОННО-ФРИКЦИОННОГО АМОРТИЗАТОРА ПОДВЕСКИ АТС

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2006

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Рябов Игорь Михайлович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузнецов Николай Григорьевич,

кандидат технических наук, доцент Балакина Екатерина Викторовна.

Ведущее предприятие ООО "Волгоградская машиностроительная компания

"Волгоградский тракторный завод"".

Защита состоится «15» декабря 2006г в 10— ч часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, проспект В.И. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан 8 ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

В. А. Ожогин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Демпфирующий элемент подвески автомобиля существенно влияет на плавность хода и другие, связанные с ней, эксплуатационные свойства. Тотально применяемый на АТС телескопический гидравлический амортизатор (ГА) за последние 50 лет по структуре практически не изменился.

Проведённые автором исследования и анализ недостатков ГА показывают, что их очень много и их особенность состоит в том, что потенциальные возможности ГА по улучшению виброзащитных свойств подвески АТС практически исчерпаны.

В 1999 году учёные ВолгГТУ И.М. Рябов и В.В. Новиков получили патенты на амортизаторы, которые, в отличие от существующих ГА, создают определённый круг преобразования (рекуперацию) энергии в цикле колебаний подвески АТС. Они получили название инерционно-фрикционные амортизаторы (ИФА). Сравнительные испытания показали, что данный тип амортизатора позволяет получать «идеальную» АЧХ колебаний подвески и существенно повысить плавность ход АТС, что недос-" тупно при использовании обычного ГА. При этом ИФА представляют собой простые механические конструкции, стоимость которых соизмерима и может быть ниже стоимости производства существующих телескопических амортизаторов.

Однако в работах упомянутых авторов не раскрыты некоторые вопросы функционирования ИФА, в частности, не выявлено, какие из параметров, входящих в ИФА структурных элементов, оказывают определяющее воздействие на функциональные свойства и на габаритно-массовый аспект конструкции; отсутствуют методики расчёта элементов ИФА. Поскольку именно от исследований данных вопросов во многом зависит применяемость данного типа амортизатора в подвесках АТС, тема диссертации является актуальной.

Цель работы — улучшение конструкционных параметров и структурных схем инерционно-фрикционных амортизаторов и оценка их влияния на виброзащитные свойства подвески АТС. Задачи исследования

1. Получить экспертную оценку значимости свойств подвески для пользователей серийных легковых автомобилей; на основе сведений из печатных и электронных изданий собрать, проанализировать и классифицировать недостатки, присущие гидравлическому телескопическому амортизатору.

2. Разработать структурные схемы различных ИФА; предложить новые показатели для оценки конструкций ИФА и вывести расчётные зависимости, определяющие функциональность ИФА; провести предварительный расчёт элементов конструкции.

3. Разработать математические модели колебательных систем, имитирующих подвеску АТС, с учётом работы в ней ИФА различных структурных схем.

4. Создать опытные образцы ИФА и разработать методики их испытаний.

5. Провести расчётно-теоретическое исследование колебаний подвески АТС с ИФА и установить характер влияния различных структурных схем и параметров ИФА на её виброзащитные свойства.

6. Провести стендовые и дорожные испытания опытных образцов ИФА.

7. На основе полученных результатов предложить варианты конструкций ИФА с улучшенными параметрами и функциональными свойствами и разработать методики их расчёта.

Объекты исследований: экспериментальные ИФА с червячным редуктором-мультипликатором и с реечной передачей, автомобиль "Газель" - ГАЗ 2705 с экспериментальным ИФА в задней подвеске. Научная новизна

- выявлены, описаны и впервые классифицированы недостатки телескопического гидравлического амортизатора;

- определены структурные схемы подвески АТС с ИФА, на основе которых можно синтезировать различные конструкции данного амортизатора;

- впервые введены оценочные показатели конструкции ИФА;

- разработаны математические модели подвески АТС с использованием различных ИФА;

- определено влияние структурных элементов ИФА и их параметров на виброзащитные свойства подвески АТС с его применением;

- разработаны методики расчёта различных конструкций ИФА.

Методы исследования. Методы исследования основаны на применении фундаментальных уравнений механики. При решении системы дифференциальных уравнений второго порядка использован численный метод Рунге-Кутта. В экспериментальном исследовании использовались разработанные методики с использованием поверенного оборудования и приборов, в частности, вибрационного анализатора 01022 фирмы "11оЬоШ)п"(Германия) и универсального вибростенда, аккредитованного для проведения испытаний подвесок АТС при ВолгГТУ.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задачи; обоснованностью используемых в математической модели уравнений и принятых допущений; применением известных математических методов; использованием фундаментальных уравнений механики, деталей машин, теории подрессоривания. А так же качественной и количественной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическую ценность работы представляют:

- прикладная программа для ЭВМ, обеспечивающая возможность целенаправленно го и рационального подбора конструкционных параметров ИФА для любого значения подрессоренной массы;

- разработанные и изготовленные экспериментальные образцы ИФА;

- предложения по размещению ИФА в подвеске АТС;

- техническое решение, направленное на повышение плавности хода АТС, а также уменьшению габаритов и массы конструкции ИФА, на которое подана заявка на изобретение по группе В 60 О 11/26 от 21.04.2006г;

- методики расчета ИФА различных конструкций.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: межвузовской конференции студентов и молодых учёных Волгограда и Волгоградской области (1999-2005гг); международной научно-технической конференции «Прогресс транспортных средств и систем»; «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» ( 2003г, г. Тольятти, ТГУ); 49-я международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» ( 2005г, Москва, Московский государственный технический университет «МАМИ»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе три - в центральной печати.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структурные схемы ИФА и подвески АТС с ИФА;

2. Математические модели различных конструкций ИФА;

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ИФА;

4. Разработанные конструкции ИФА с улучшенными параметрами/свойствами;

5. Методики расчёта ИФА и его элементов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 88 наименований, 17 приложений. Работа содержит 232 страницы, 25 таблиц и 112 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы основные идеи и дана краткая аннотация работы.

В первой главе "АНАЛИЗ РАБОТЫ ДЕМПФИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ПОДВЕСКИ СОВРЕМЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ" рассматривается влияние амортизатора подвески на ряд важных эксплуатационных параметров автомобиля. Для оценки значимости демпфирующего элемента подвески автором был проведён опрос среди пользователей серийных легковых автомобилей. Полученное высокое значение согласия экспертов по заданным вопросам, определенное с помощью коэффициента конкордации, показало, что для потребителя важна плавность хода его автомобиля и при этом подавляющее большинство желает улучшить существующий вариант подвески или иметь возможность выбора в данном вопросе.

В подвесках современных автомобилей тотально применяются ГА. Попытки улучшить виброзащитные свойства подвески и плавность хода АТС, представленные в трудах А. А. Дмитриева, А. Д. Дербаремдикера и других, приводят к усложнению конструкции ГА и снижению их надёжности. ГА обладают целым комплексом различных недостатков, но в технической литературе они не систематизированы.

Поэтому после всестороннего изучения была составлена классификация недостатков гидроамортизаторов (рис.1). Анализ показал, что потенциальные возможности ГА практически реализованы и для дальнейшего повышения виброзащитных свойств подвески нужно использовать амортизатор с новой структурой и свойствами. Поэтому проблема создания демпфера, не имеющего названных недостатков и обеспечивающего повышение плавности хода АТС, а также имеющего простую конструкцию, сегодня становится всё значимее.

В данном контексте автором рассмотрены уже известные два варианта конструкций ИФА, представленные в работах учёных И.М. Рябова, В.В. Новикова, К.В. Чернышова и A.C. Горобцова. Первый вариант конструкции ИФА (патент РФ №2142585; рис.2а) был основан на использовании реечной передачи, преобразующей возвратно-поступательное движение штока (рейки) во вращательное движение маховика через фрикционную муфту.

Рис.1. Классификация недостатков телескопических ГА

а) б)

Рис. 2. Базовые конструкции ИФА: а) с реечной передачей, б) с передачей винт-гайка 1 — маховик; 2 — ШВП; 3 - фрикционная муфта; 4 — реечная передача

Вторая конструкция ИФА (патент РФ №2142586; рис.2б) основана на передаче винт-гайка с использованием шарико-винтовой передачи (ШВП). На основании имеющейся информации о патентах в работе проводится сравнительная характеристика указанных (базовых) конструкций ИФА.

Необходимо отметить и те недостатки, которые пока не позволяют данным конструкциям заменить существующие ГА. Для реечного ИФА таковыми являются большие габариты и масса маховика, часто затрудняющие его компоновку в подвеске АТС.

Для винтового варианта - сложность изготовления ШВП требуемой точности, использование особых материалов и сплавов; необходимость создания методики расчётов с учётом устойчивости и критической скорости передачи.

Несмотря на отмеченные недостатки, исследователями во время стендовых испытаний виброзащитных свойств реечного ИФА были получены безгорбовые АЧХ. Это было достигнуто путём притормаживания маховика, то есть создания дополнительного момента трения Мтрдоп на вращающемся маховике.

Исследования И.М. Рябова и В.В. Новикова установили, что существует оптимальная зависимость дополнительного момента трения на маховике Мтрдоп от момента трения в муфте Мтр, при которой обеспечивается наилучшее гашение колебаний. Однако она не была реализована в базовых конструкциях. Анализ работ также выявил, что при исследовании ИФА не было обращено внимание на явление скольжения во фрикционной муфте, а именно на то, что с ростом скорости скольжения момент трения во фрикционной муфте снижается вследствие падения коэффициента трения. Остаётся неизученным вопрос о том, как изменение момента трения в муфте ИФА влияет на виброзащитные свойства подвески АТС.

Во второй главе "ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИФА НА ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОДВЕСКИ АТС " на основе анализа общего устройства и принципов работы ИФА определяются его структурные схемы; определяется, какой из структурных элементов оказывает решающее воздействие на функционирование и на габаритно-массовый аспект конструкции.

ИФА состоят из следующих элементов (рис. 3):

1) механизма преобразования движения (МПД) из поступательного во вращательное; 2) инерционного элемента в виде вращающейся массы (маховик); 3) муфты сцепления, образующей связь между первыми двумя элементами.

Для преобразования поступательного движения во вращательное можно использовать различные механизмы, которые и определяют варианты конструкций ИФА: а) зубчатое колесо с рейкой; б) передачу винт — гайка; в) редуктор-мультипликатор с рычагом (зубчатый, червячный, волновой). К МПД предъявляется ряд требований. Он должен обладать обратимостью, т.е. одинаково функционировать при изменении направления движения (ход сжатия\ход отбоя), оптимальным КПД и достаточной надёжностью. МПД не должен блокироваться, иначе ИФА потеряет возможность рекуперации энергии колебаний.

В качестве варианта муфты сцепления в конструкции используется фрикционная муфта (ФМ). Она не только исключает блокирование подвески при резком наезде колеса на препятствие, но и обеспечивает гашение высокочастотных колебаний колёс за счёт сухого трения и при этом имеет стабильный момент трения при нагреве, что в отличие от ГА обеспечивает стабильность демпфирующих свойств ИФА.

Инерционный элемент, раскручиваясь на части цикла колебаний, накапливает определённую кинетическую энергию. Затем на другой части цикла колебаний, когда скорость штока снижается, он

кузов АТС

Рис. 3. Принцип работы инерционного амортизатора 1 — маховик: Я — радиус маховика; 2 — МПД: реечная передача, гш - радиус вала-шестерни / Ьраб - длина рабочей части рейки; 3 — фрикционная муфта, реализующая момент трения между 3 и 1; с - упругий элемент

замедляет вращение и создаёт активную силу. Он является консервативным звеном и создаёт силы, пропорциональные относительному ускорению, что приводит к снижению частоты собственных колебаний. Диссипативными звеньями в ИФА являются МПД, обладающий определённым КПД, и фрикционные муфты.

Таким образом, на основании проведённого описания можно выделить общую структурную схему ИФА (рис.4) и шесть частных схем, характеризующих различные конструкции ИФА (рис.5). Пунктирной линией отмечено влияние одного элемента на другой в процессе функционирования. Это влияние носит определённый характер, который устанавливается во время разработки конструкции.

Рис.4. Структурная схема ИФА

е)

Рис.5. Структурные схемы подвески АТС с ИФА

Влияние на моменты трения через МПД (и наоборот - в случае 5е) позволяет осуществлять их регулировку в зависимости от параметров колебаний: подрессоренной массы, амплитуды и частоты возмущения.

При разработке математических моделей (ММ) по данным структурным схемам вводятся следующие допущения: движение машины по местности прямолинейно; угол наклона пути машины к горизонтальной плоскости мал и им можно пренебречь; профиль пути под обоими колёсами одной стороны одинаков; профиль возмущений под правым и левым колесом АТС одинаков; упругая характеристика подвески аппроксимируется линейной зависимостью с постоянной величиной жесткости; трение в элементах подвески учитывается постоянной величиной сухого трения; коэффициент распределения подрессоренных масс равен единице ( еу=1).

Суммируя все допущения, берём за основу двухмассовую одноопорную колебательную модель. В качестве расчётного кинематического возмущения используем гармонический профиль, позволяющий получить АЧХ колебаний подвески, характеризующие её виброзащитные свойства.

Расчётная схема подвески АТС с ИФА по структурной схеме, показанной на рисунке 5а, имеет вид, представленный на рисунке 6.

М - подрессоренная масса; ш — не-подрессоренная масса; Т - постоянное трение в подвеске; С — жесткость упругого элемента подвески; Ъ — абсолютное перемещение подрессоренной массы; # -амплитуда кинематического возмущения; сры — угол поворота маховика; сш — жесткость шины; кш - коэффициент демпфирования шины.

1 - фрикционная муфта / Мтр - момент трения в муфте; 2 — маховик / - момент инерции маховика; 3 — МПД: мультипликатор / ¡мпд - передаточное число, / - длина рычага

Рис.6. Расчётная схема модели подвески АТС с ИФА

Разработанная ММ позволяет использовать в расчёте различные конструкционные схемы ИФА и варьировать параметрами структурных элементов, определять перемещение подрессоренной массы, относительные и абсолютные скорости и ускорения в подвеске АТС в процессе колебаний.

ММ описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

М2 + Г 5ёп( ¿-¿) + С (г - г)+ Мт" [¿-2--^—фи 1 = 0

I \ 'мпд )

(. / 1 О)

\z-z---фи =0

V 1ипд )

т£ + кт (г - <?) + ея (г - я) - Т 2 - ¿) - С{2 - г) - Мтр ' 'ипд 2-2- —фи ) = 0

' 'л/дгг

Для сравнительной оценки различных конструкции ИФА в диссертации впервые вводятся несколько показателей. Основные из них представлены в таблице.

оценочные показатели ИФА

название обозна чение ед-ца нзмер ения что характеризует / определяет влияние на функциональность ИФА диапазон значений

1 удельный ход штока Кх мм/об ход штока ИФА за один оборот маховика возможности МПД чем меньше, тем сильнее закручивается маховика от 2,5

2 удельный поворот маховика К об/см угол поворота маховика от хода штока возможности МПД чем выше, тем больше угол поворота маховика отО до л** <р

3 число оборотов маховика за полный ход рейки/сошки "Г безразмерный угол поворота маховика за полный рабочий ход штока/подвески возможности МПД чем больше, тем лучше любое, но лучше больше 2

4 коэффициент снижения частоты собственных колебаний подвески к безразмерный снижение частоты собственных колебаний (ЧСК) подвески при использовании ИФА значение параметров ИФА плавность хода АТС от 1,1 до 1,4 (М-снижение ЧСК на 40%!)

5 кинематический показатель МПД г \ ИФА с редуктором-мультипликатором компактность МПД; для удобства расчёта\ анализа чем меньше, тем лучше любое, но лучше меньше 1

Были получены формулы, которые, с учётом параметров МПД, позволяют рассчитывать размеры маховика в форме диска, кольца и комбинированной формы для обеспечения гашения колебаний заданной величины подрессоренной массы.

После некоторых математических преобразований для подбора маховика была получена формула, устанавливающая связь между моментом инерции маховика Ум, передаточным отношением ¡мпд и коэффициентом снижения частоты собственных колебаний Кт подвески АТС:

л, =

л/

о„

-1

(2)

*мпд *мпд

где ¡мпд - передаточное отношение редуктора-мультипликатора (для реечной передачи / = 1), со01 - частота собственных колебаний подрессоренной массы М; ¿о02 - частота собственных колебаний подрессоренной массы при использовании ИФА; М - подрессоренная масса; гш - плечо действия возмущающей силы (длина рычага/сошки; радиус вала-шестерни для реечного МПД).

С учётом введенных показателей

1], (3)

'атд

^=М'¥[К1~\] (4)

Зная момент инерции, форму и материал, определяются габариты маховика.

В работе разрабатывается вариант ИФА с использованием в качестве МПД одноступенчатого червячного редуктора, который позволяет реализовать эффект дополнительного трения на маховике за счёт потерь на трение в зацеплении (рис.7). Значение дополнительного момента трения определяется по формуле ( 5 ), которая была получена из выражений, использующихся при расчёте червячной передачи:

-т-а1

мтрдоп=—---<?')• (5)

Здесь / - длина рычага привода амортизатора, ^ - сила воздействия на привод амортизатора (величина неподрессоренной массы), ш - модуль, q - коэффициент диаметра червяка, с1\- диаметр червячного колеса, г х- число заходов резьбы червяка, у ~ угол наклона резьбы червяка, ср' - угол трения.

Выявлено, что функционирование ИФА с использованием червячного редуктора возможно при условии, что число заходов винта ъ\ > 2, что исключает явление самоторможения. Анализ зависимости ( 5 ) показывает, что увеличение Мтрдоп возможно за счёт коэффициента диаметра червяка

Разработана методика расчёта оптимальных параметров МПД в виде червячной передачи для использования в ИФА.

^ В третьей главе "МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИФА" описываются методики расчёта АЧХ колебаний подвески АТС с использованием ИФА с помощью ММ и методики экспериментальных исследований опытных конструкций ИФА.

Лабораторные испытания опытных образцов ИФА проводились на универсальном вибростенде, расположенном на кафедре «Автоматические установки» ВолгГТУ. При испытаниях имитировалась подвеска автомобиля, включавшая в

Рис. 7. Расчётная схема для определения М/я/?ДОп в червячной передаче

себя упругий элемент — резинокордную оболочку 370-260 Вл4 и экспериментальные ИФА.

Первая экспериментальная конструкция амортизатора была собрана из следующих основных узлов: червячного редуктора (рулевой механизм от автомобиля ЗАЗ-968), фрикционной муфты (мотоциклетного сцепления) и маховика (тормозного барабана). Передаточное число редуктора — 17, момент трения фрикционной муфты мог меняться от 0 до 6 Нм путём сжатия пружины, масса маховика -4,5 кг, средний радиус - 130 мм. Момент инерции маховика - 0,06 кг-м2.

Вторая экспериментальная конструкция амортизатора была собрана из следующих основных узлов: рулевой рейки рулевого механизма автомобиля Mitsubishi «PajeroIII», автомобильного диска сцепления и тормозного барабана в качестве маховика. Диск сцепления прижимается к маховику пружиной, усилие поджатая которой регулировалось гайкой (рис.8). Эта конструкция имела следующие параметры: гщ — радиус вала-шестерни — 10 мм, максимально возможный ход рейки до ограничителя - 110 мм, масса маховика - 8,5 кг, максимальный внешний радиус — 150 мм, момент инерции маховика- 0,108 кг-м2.

Целью экспериментов заключалась в получении АЧХ перемещения подрессоренной массы при различных амплитудах кинематического возмущения.

Частота кинематического возмущения ступенчато увеличивается от 0 до 5 Гц, а затем уменьшается. Также ступенчато изменялась амплитуда гармонического возмущения (от 15 до 30 с шагом 5 мм). Частота колебаний определялась пересчётом показаний тахометра, установленного на валу электродвигателя привода с учётом его передаточного числа с точностью 0,1 Гц.

Величину вертикальных перемещений подрессоренной массы измеряли с точностью 0,1 мм. Общая подрессоренная масса изменялась от 500 до 1500 кг.

Момент трения, обеспечивающий минимальные амплитуды колебаний в зоне резонанса после испытаний определяется с помощью динамометра с точностью 0,1Н.

Дорожные испытания опытной модели ИФА проводились по асфальтовым и грунтовым дорогам на автомобиле "ГАЗель"- ГАЗ-2705 (версия "Скорая медицинская помощь"), на котором (рис.9) дополнительно к штатным амортизаторам задней подвески между центром балки заднего моста 6 и продольными лонжеронами кузова был установлен первый экспериментальный образец ИФА с червячным редуктором 3. При движении автомобиля конструкция амортизатора позволяла включать и

Рис.8. Общий вид экспериментальной установки для испытаний реечного ИФА на вибростенде

выключать его, воздействуя на муфту сцепления через трос 2 выведенный в салон автомобиля.

Весовое состояние автомобиля в процессе проведения испытаний не изменялось. Техническое состояние автомобиля соответствовало условиям завода-изготовителя.

Для регистрации виброускорений был использован вибрационный анализатор фирмы "Robotron" (Германия). Датчик ускорений устанавливался на металлической плите по центру лежачего места (носилок) для перевозки больного. Прибором фиксировалось число ускорений, превышающих величину 10 м/с2. В качестве трассы были выбраны:

1) участок асфальтированной дороги через трамвайный переезд; 2) участок разбитой грунтовой дороги длиною около двух километров. Для повышения точности измерений делалось по три заезда на каждом участке дороги в оба направления, на основании которых рассчитывалось среднее значение виброускорений.

Результаты экспериментального исследования приводятся в четвёртой главе.

В четвертой главе "РАСЧЁТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРЕМЕН-ТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИФА" приведены результаты расчётов на ММ, а так же результаты стендовых и дорожных испытаний опытных конструкций ИФА.

Исследования с помощью динамической модели позволили установить характер влияния на виброзащитные свойства подвески АТС таких параметров ИФА, как: передаточное отношение и КПД в МПД, моменты трения ФМ, параметры маховика.

В работе результаты исследования представлены в таблице с кратким описанием параметра и характером его влияния на другие структурные элементы ИФА и на конструкцию в целом. В таблице также указывается влияние того или иного из рассмотренных параметров на функциональность ИФА,

Рис. 9. Опытная конструкция ИФА в задней подвеске автомобиля "ГАЗель": 1 - маховик, 2 — трос системы включения ИФА, 3 - червячный редуктор, закреплённый на раме, 4 - кронштейн крепления шатуна, 5 - шатун ИФА, связанный с сошкой ч/редуктора, 6 - задний мост автомобиля

Рис. 10. Скорость скольжения Уск в среднем радиусе трения Ятр фрикционных дисков муфты:

1) реечный МПД; 2) МПД в виде редуктора; 3) АЧХ перемещений

влияние на виброзащитные свойства подвески АТС и диапазон возможных/рекомендуемых значений.

Из шести рассматриваемых параметров на функционирование ИФА и виброзащитные свойства подвески АТС главенствующее влияние оказывают: радиус маховика, передаточное отношение в МПД и момент трения основной муфты.

Кроме того, для конструкции ИФА с муфтой на маховике было установлено явление скольжения, которое присутствует во всем диапазоне частот, но влияние на функционирование наблюдается при высокочастотных колебаниях (рис.10). Скорость скольжения после 2 Гц возрастает от 3 м/с до 20 м/с (5 Гц) и выше для МПД без передаточного числа. При использовании редуктора-мультипликатора скорость скольжения на среднем радиусе трения фрикционных дисков увеличивается многократно и достигает значений 40 м/с и выше.

Исходя из свойств фрикционных материалов, коэффициент трения в диапазоне скоростей скольжения до 10 м/с уменьшается от 5 до 30%, а в диапазоне свыше 10 м/с падение может составить 50% и выше. Это ведёт к изменению момента трения в муфте ИФА, что негативно отражается на его виброзащитных показателях.

В тоже время анализ свойств различных материалов, применяемых при изготовлении фрикционных дисков, позволяет утверждать, что подобрать необходимый материал, который обеспечил бы реализацию требуемого момента трения и обладал бы минимальными размерами (а также массой) и высокими эксплуатационными свойствами, будет несложно. Проектные расчёты показали, что размеры фрикционных дисков муфты и её масса невелики.

В ходе расчётов было установлено, что с увеличением ¡Мпд происходит уменьшение амплитуды колебаний в зоне резонанса (рис.11); при этом она смещается влево, в область низких частот (с 1,4 до 0,6 Гц), что позволяет говорить об улучшении виброзащитных свойств подвески. Следует отметить и тот факт, что с дальнейшим увеличением ¡мпд на АЧХ появляется зона резонанса, продолжительная (2...2,8 Гц), но незначительная по амплитуде.

Расчёты на моделях также показали, что для каждого значения длины рычага I существует определённое значение передаточного числа /пред, после превышения которого дальнейшее снижение значения перемещения в резонансе не происходит, а в зоне высоких частот наблюдается рост АЧХ.

—«—10 I

—•—15 'пред

-20 I

-25

-30 »

—«—35 I

х 0 2 0.4 0.6 0.» I 1.2 1.4 1.6 I.» 2 2.2 2.4 2.6 2 8 3 3.2 3.4 3 6 3.» 4 4.2 4.4 4.6 4.« 5^ ° <лО ДАТОЧНОС

длина рычага, м число /

Рис. 11. АЧХ перемещений подрессоренной массы М Рис и 3ависимость а

в зависимости от передаточного отношения г в МПД. Л Л-™

Мтр = 39 Нм, / = 0.1м, д = 0,05м, т = 50 кг; М= 1000кг маховика от параметров МПД

Исходя из расчётов, по формуле (4 ), была составлена диаграмма зависимости радиуса маховика от параметров МПД (рис.12), на которой видно, что чем больше длина рычага и меньше передаточное отношение, тем больше радиус маховика. Поэтому для уменьшения габаритов и массы ИФА в целом необходимо данные параметры выбирать, опираясь на кинематический показатель МПД - У. Таким образом, использование передаточного отношения в МПД возможно в определенном диапазоне.

120 100 80 60 40

20

о

0 1 2 3 4 Частота, Гц 5

Рис.13. Экспериментальные АЧХ вертикальных колебаний подрессоренной массы: 1,2 и 3 - подвеска с ИФА; 4 - подвеска без амортизатора; 1и4~я=15мм; 2-я = 22 мм; 3-я = 30 мм

Сопоставление расчётных АЧХ перемещений подрессоренной массы (с одними и теми же параметрами) с использованием ИФА и гидроамортизатора показало, что гидроамортизатор может обеспечить аналогичное демпфирование колебаний только при условии у/ = 0,4 (обычно у/ не превышает 0,25); при этом инерционный амортизатор (в отличие от ГА) позволяет избежать резонанса в области низких частот, что подтверждает его высокие виброзащитные показатели.

Результаты стендовых экспериментов (опытная конструкция ИФА с редуктором) представлены в виде АЧХ перемещения подрессоренного груза (кривые 1, 2 и 3 на рис.13). На графиках видно, что в зоне резонанса амортизатор существенно уменьшает амплитуды перемещений подрессоренной массы за счёт снижения частоты собственных колебаний.

Одной из целей стендовых испытаний являлось получение материалов для проверки достоверности разработанных во второй главе математических моделей работы подвески АТС с ИФА. Проверка адекватности показала, что расхождение находится в пределах от 2,9 до 14,3%, а по абсолютным значениям почти во всем диапазоне составляет 1..2 мм. Полученная сходимость оценок значений параметров АЧХ свидетельствует как о достоверности воспроизведения качественной стороны процесса, так и о правильности принятых допущений.

Дорожные испытания показали, что при проезде трамвайного переезда без подключения испытываемого амортизатора ускорения достигали 11...13 м/с2 при скорости движения 50-55 км/ч (по спидометру автомобиля), а при его включении — 9...10м/с2 при скорости 55-60 км/ч.

При движении по разбитой асфальтогрунтовой дороге без подключения амортизатора количество ускорений, превысивших 10 м/с2, составило 12... 17 при скорости автомобиля 20-30 км/ч, а при его подключении — 8...9 при скорости автомобиля 35-40 км/ч, то есть максимальные и средние величины ускорений при подключении амортизатора уменьшались на 20.. .30%.

В пятой главе "АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КОНСТРУКЦИЙ ИФА" на основании результатов проведённого исследования предлагаются различные конструкции ИФА с улучшенными, по сравнению с базовыми вариантами, свойствами. Согласно приведённым структурным схемам (см. рис.5) были предложены некоторые технические решения, позволяющие устранить недостатки базовых конструкций и тем самым улучшить функционирование ИФА.

Анализируя результаты проведённого исследования, делаем вывод, что для высокой функциональности ИФА МПД должен обеспечить наибольшее передаточное отношение, что обеспечивается редуктором-мультипликатором, и минимальным плечом усилия/взаимодействия, что является достоинством реечной передачи. Синтез этих двух условий позволяет получить комбинированный МПД; положение фрикционной муфты до или после МПД также позволяет создавать новые конструкции ИФА.

После описания возможных вариантов конструкций (12шт) приводится анализ их свойств. Кроме того, проводится оценочное сравнение (с базовыми прототипами) для наиболее перспективных из полученных вариантов (4шт), по конструкционным критериям, таким как: габариты, масса, размещение в подвеске/кинематика, диапазон изменения параметров и технологичность/надёжность.

Последний критерий опирается на общий анализ возможных отказов ИФА и расчёт по условию наработки каждого из структурных элементов ИФА до первого отказа.

Чем выше набранная оценка конструкции, тем выше её функциональность, возможность использования в подвеске АТС и возможность серийного производства. Результаты сравнения показывают, что комбинированные конструкции ИФА имеют более высокую оценку по сравнению с базовыми вариантами.

Рис. 14. Конструкция «ИФРА» с комбинированным МПД

Рис. 15. Конструкция ИФА с червячно-реечным МПД

По количеству набранных баллов, конструкция «ИФРА» (рис.14) получает максимально высокую оценку. А один из самых простых и надёжных вариантов - реечный - получил по трём критериям минимальную оценку, поэтому его применение в подвеске АТС возможно при определённом размещении. А вот вариант с комбинированным МПД — реечная с внутренним зацеплением, напротив, одна из немногих конструкций, получивших итоговую высокую оценку; столько же баллов набрал и червячно-реечный вариант ИФА (рис. 15).

После детального описания новой конструкции реечного ИФА (рис.16) с внутренним зацеплением маховиков (на которую оформлена заявка на изобретение) предлагаются две кинематических схемы для размещения базового реечного ИФА в подвеску АТС. Первая схема обозначена как «ножничная», вторая - «качающийся треугольник». Смысл обоих вариантов заключается в горизонтальном (окологоризонтальном) расположении ИФА, когда амортизатор повёрнут на 90° относительно вертикальной оси таким образом, что нижний конец рейки по-прежнему связан с неподрессо-ренной массой (колесом), а противоположное крепление на корпусе соединено с подрессоренной массой.

Предложенные варианты размещения практически не усложняют подвеску АТС и позволяют применять реечный вариант ИФА в подвеске большинства серийных автомобилей типа «ГАЗель».

В заключение работы на основании проведённых исследований и принципов конструирования была предложена методика расчёта конструкций ИФА. Она позволяет целенаправленно рассчитать конструкцию ИФА под заданные условия работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с целью и поставленными в работе задачами обобщим полученные результаты.

1. Проведена экспертная оценка, которая показала, что подавляющее большинство пользователей автомобилей желают улучшить существующий вариант подвески или иметь возможность выбора в данном вопросе.

Впервые разработана классификация недостатков гидравлических амортизаторов, согласно которой они делятся на конструкционные, эксплуатационные и функциональные. Системный анализ недостатков ГА позволил определить, что возможности их совершенствования практически исчерпаны.

конструкция ИФА с комбинированным МПД:

1 - реечная передача

2 — шестерня с внутренним зацеплением

(редуктор); 3 - маховик (4шт); 4 - фрикционная муфта; 5 - дополнительная ф\муфта

2. Разработана общая структурная схема ИФА и шесть частных структурных схем подвески АТС с ИФА. Основное различие заключается в расположении муфты и в характере обратных связей. Введены новые показатели для оценки различных ИФА: удельный ход штока, удельный поворот маховика, число оборотов маховика за полный ход рейки/сошки, коэффициент снижения частоты собственных колебаний, кинематический показатель МПД. Получены формулы, которые позволяют рассчитывать размеры маховика с учётом параметров МПД. Предварительный расчёт показал, что наибольшее влияние на функциональность ИФА и, как следствие, на виброзащитные свойства подвески оказывает радиус маховика, а также параметры МПД.

3. Разработаны математические модели двухмассовой колебательной системы для анализа виброзащитных свойств подвески АТС с использованием ИФА. Математические модели основаны на предложенных структурных схемах и учитывают влияние зависимости момента трения основной муфты ИФА от скорости скольжения её дисков, а также влияние дополнительной муфты маховика и несимметричность характеристики демпфирования (разные величины момента трения на ходах сжатия и отбоя). Расчёты на динамических моделях подтвердили верность разработанных структурных схем ИФА и принятых допущений при разработке ММ, что было подтверждено достаточной сходимостью результатов с натурными экспериментами.

4. Созданы два опытных образца ИФА и разработаны экспериментальные установки их испытаний, а также методики. На основании опыта создания экспериментальных образцов ИФА, можно сделать вывод, что для производства сборочных узлов данного амортизатора не существует каких-либо конструкторских и технологических особенностей и сложностей.

5. Проведённые на разработанных математических моделях исследования позволили установить характер влияния параметров ИФА, таких как: передаточное отношение в МПД, параметры инерционного элемента, а также момента трения основной и дополнительной фрикционных муфт на виброзащитные свойства подвески АТС.

6. Стендовые испытания опытных конструкций ИФА наглядно показали, что использование в подвеске АТС данного типа демпфера повышает её виброзащитные свойства, т.к. уменьшает амплитуду колебаний подрессоренной массы в зоне резонанса в 1,5-2 раза по сравнению с подвеской с гидравлическими амортизаторами.

В ходе дорожных испытаний экспериментального ИФА на автомобиле "ГАЗель" было отмечено улучшение плавности хода автомобиля, поскольку максимальные и средние величины виброускорений в салоне автомобиля уменьшались на 20...30% по сравнению со штатной подвеской.

7. На основании анализа результатов проведённых теоретических и экспериментальных исследований, опираясь на структурные схемы, предложены различные конструкции ИФА, позволяющие устранить недостатки базовых конструкций и тем самым уменьшить массу и габариты ИФА и повысить его надёжность и технологичность.

Предложена общая методика расчёта конструкции ИФА, которая позволяет целенаправленно рассчитать конструкцию ИФА под заданные условия работы.

Основные материалы диссертации опубликованы в ниже перечисленных публикациях:

1. Чернышов К.В., Васильев А.В., Воробьёв В.В., Бурякова М.В. Изыскание способов регулирования амортизаторов // IV Межвузовская конференция студентов и молодых учёных Волгограда и Волгоградской области: Тезисы докладов / Волгоградский государственный технический университет. — Волгоград, 1999. — С. 81- 82.

2. Новиков В.В., Рябов И.М., Чернышов К.В., Быкодоров Д.В., Воробьёв В.В., Галлов А.В. Исследование инерционно-фрикционного амортизатора "СКАРН"// Прогресс транспортных средств и систем: Материалы международной научно-практической конференции 4.2. / - Волгоград, 1999. - Часть 2. - С. 160-161.

3. Воробьев В.В., Лободин Д. А., Мозгунов В. А., Новичков С. А., Новиков В. В., Некрасов А. С. Технические решения по обеспечению плавности хода автомобилей с помощью демпфирования // Тез. докл. юбилейного смотра-конкурса науч., конструкт, и технолог. работ студентов ВолгГТУ. / ВолгГТУ. - Волгоград. - С.71 - 73.

4. Воробьёв. В.В. Конструкции инерционно-фрикционного амортизатора // сборник «VI межвузовская региональная конференция студентов и молодых учёных Волгограда и Волгоградской области»: тезисы докладов.- Волгоград, 2001. — С.52 — 53.

5. Рябов И.М., Новиков В.В., Чернышов К.В., Воробьев В.В., Галов А.В. Амортизаторы с рекуперацией энергии в цикле колебаний // Справочник. Инженерный журнал. — М.: Машиностроение, 2001. -№7. - С. 31- 34.

6. Чернышов К.В., Новиков В.В., Рябов И.М., В.В.Воробьев. Результаты исследования математической модели инерционного гасителя колебаний с линейными характеристиками элементов // сборник «Прогресс транспортных средств и систем»: материалы научно-практической конференции. — Волгоград,. 2002. Часть 2 — С.320 — 323.

7. Воробьёв В.В. Классификация недостатков гидравлических амортизаторов // сборник «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» - всероссийская научно-техническая конференция. — Тольятти, ТГУ, 2003. - С 70 - 71.

8. Воробьёв В.В., Данилов C.B. Инерционный амортизатор с трением на маховике // сборник «IX региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области»: тезисы докладов. — Волгоград, 2005. — С. 73 — 74.

9. Воробьёв В.В., Данилов C.B. Виброзащитные свойства инерционного амортизатора с несимметричной характеристикой // сборник «IX региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области»:тезисы докладов.- Волгоград, 2005- С.76-77.

10. Воробьёв В.В., Рябов И.М. Влияние параметром инерционно фрикционного амортизатора на его демпфирующие свойства // материалы 49-ой международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» Москва, МГТУ «МАМИ» Часть 1, -С. 49-55.

11. Рябов И.М., Новиков В.В., Воробьев В.В., Данилов C.B., Смолянов О.В. Инерционные амортизаторы со сдающим элементом для подвесок АТС // Грузовик &. - М.: Машиностроение, 2005. - № 4. — С 9 - 10.

12. Воробьев В.В., Рябов И.М., Чернышов К.В., Данилов C.B. Оценка плавности хода автомобиля // Грузовое и пассажирское автохозяйство.- 2005.- № 3 — С 35 — 38.

13. Данилов C.B., Воробьёв В.В. Экспериментальное исследование собственных частот колебаний кузова маршрутного такси // сборник «X региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области»: тезисы докладов. — Волгоград, 2006.- С. 67-68.

Воробьёв Вениамин Вениаминович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНЕРЦИОННО-ФРИКЦИОННОГО АМОРТИЗАТОРА ПОДВЕСКИ АТС

Специальность 05.05.03 — «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тираж 100 экз. Печ л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТЫ ДЕМПФИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

ПОДВЕСКИ СОВРЕМЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ.

1.1. Экспертная оценка значимости свойств подвески для пользователей серийных легковых автомобилей.

1.2. Недостатки телескопических гидравлических амортизаторов.

1.2.1. Конструкционные недостатки гидравлического амортизатора.

1.2.2. Эксплуатационные недостатки гидравлического амортизатора.

1.2.3. Функциональные недостатки гидравлического амортизатора.

1.3. Направления и тенденции по улучшению виброзащитных характеристик подвесок автомобиля.

1.3.1. Анализ базовых конструкций инерционно-фрикционных амортизаторов.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИФА

НА ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОДВЕСКИ АТС.

2.1. Разработка структурных схем подвески АТС, исходя из принципов работы ИФА.

2.2. Оценочные показатели конструкций ИФА.

2.3. Определение параметров структурных элементов ИФА.

2.3.1. Определение формы и размеров инерционного элемента.

2.3.2. Определение параметров муфты с учётом свойств фрикционных материалов.

2.3.3. Влияние параметров МПД на структурные элементы ИФА.

2.4. Особенности расчёта конструкции ИФА с винтовой передачей.

2.5. Разработка конструкции ИФА с МПД в виде червячного редуктора.

2.6. Разработка математической модели подвески АТС, включающую ИФА.

2.6.1. Допущения, принятые при разработке математической модели подвески АТС.

2.6.2. Обоснование выбора возмущающего профиля.

2.6.3. Математические модели подвески АТС, с различными конструкциями ИФА.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИФА.

3.1. Методика определения виброзащитных свойств подвески АТС, включающую ИФА в цикле колебаний.

3.1.2. Методика расчёта скорости скольжения в ФМ ИФА.

3.2. Методики стендовых испытаний опытных конструкции ИФА.

3.2.1. Методика стендовых испытания опытной конструкции

ИФА с МПД в виде редуктора.

3.2.2. Методика стендовых испытаний опытной конструкции

ИФА с МПД в виде рейки.

3.3. Методика дорожных испытаний опытной конструкции ИФА.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. РАСЧЁТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ИФА.

4.1. Стендовые испытания опытных конструкций ИФА.

4.1.1. Стендовые испытания опытной конструкции ИФА с МПД в виде редуктора.

4.1.2. Стендовые испытания опытной конструкции ИФА с МПД в виде рейки.

4.2. Оценка достоверности математической модели.

4.3. Влияние конструкционных параметров ИФА на виброзащитные свойства подвески АТС.

4.3.1. Зависимость виброзащитных свойств подвески АТС от момента трения муфты ИФА.

4.3.2. Зависимость момента трения от положения муфты в ИФА.

Явление скольжения.

4.3.3. Зависимость виброзащитных свойств подвески АТС от параметров маховика ИФА.

4.3.4. Зависимость виброзащитных свойств подвески АТС от параметров МПД.

4.3.5. Зависимость виброзащитных свойств подвески АТС от параметров МПД и маховика.

4.3.6. Зависимость виброзащитных свойств подвески АТС от параметров комбинированного МПД.

4.3.7. Сравнение виброзащитных свойств ИФА и ГА.

4.4. Определение параметров МПД в виде червячного редуктора и анализ их влияния на свойства ИФА.

4.5. Дорожные испытания опытной конструкции ИФА.

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КОНСТРУКЦИЙ ИФА.

5.1. Комбинированные варианты конструкций ИФА.

5.2. Методика расчёта МПД в виде червячного редуктора.

5.2.1. Задняя подвеска грузового автомобиля с использованием червячного ИФА.

5.3. Реечная конструкция ИФА с внутренним зацеплением.

5.4. Кинематические схемы подвесок для установки реечного ИФА.

5.5. Сравнение ИФА по конструкционным критериям.

5.5.1. Надёжность конструкций ИФА на этапе проектирования.

5.6. Методика расчёта конструкций ИФА.

5.7. Выводы.

Демпфирующий элемент подвески автомобиля, сконструированный в виде телескопического гидравлического амортизатора, за последние 50 лет практически не изменился. Большинство вопросов по гашению вынужденных колебаний кузова автомобиля, то есть параметры виброзащиты (комфорта), связанные с плавностью хода, определяются его функциональными характеристиками.

Несмотря на своё массовое распространение, гидравлический амортизатор ( ГА ) обладает некоторыми недостатками, приводящими к ухудшению виброзащитных свойств подвески. Однако в профильной литературе отсутствует их классификация. К этому следует добавить, что в среде водителей существует чёткое стремление к высокому уровню ездового комфорта. Подавляющее большинство водителей, согласно проведённому в работе опросу, предпочли бы автомобиль с более совершенной подвеской тому, что эксплуатируют в данный момент.

Это говорит о том, что, во-первых, существующий уровень развития виброзащиты подвесок серийных автомобилей не удовлетворяет пользователей; во-вторых, они позитивно реагируют на возможность выбора не только двигателя и трансмиссии, но и подвески своего автомобиля.

Эти выводы хорошо соотносятся с тем, что на автомобильный рынок в последнее время (с 2000 года) зарубежные фирмы-производители стали серийно выпускать модели автомобилей, у которых применяется активная подвеска, виброзащитные свойства которой выше чем у существующих подвесок.

Главным элементом такой подвески стал гидроамортизатор, преобразованный в упруго-демпфирующий модуль, связанный с электронным блоком управления. Однако такой симбиоз значительно усложнил конструкцию подвески в целом, снизил надёжность и увеличил её стоимость.

Другой путь решения указанной проблемы, представленный в научных разработках отечественных учёных, - переход от существующих нерегулируемых амортизаторов на саморегулируемые, без изменения упругих и направляющих элементов подвески.

В работах учёных И.М. Рябова, В.В. Новикова, К.В. Чернышева, А.С. Го-робцова рассмотрен амортизатор инерционного типа, реализующий принцип рекуперации энергии в цикле колебаний подвески АТС. Авторы утверждают, что данный тип амортизатора по своим виброзащитным свойствам превосходит обычный ГА и при этом имеет простую конструкцию. На основе этого принципа предложены две конструкции, которые получили название инерционно-фрикционных амортизаторов ( ИФА ). Они представляют собой простые механические устройства, поэтому их стоимость соизмерима со стоимостью существующих телескопических амортизаторов. Они не содержат каких-либо элементов электроники и дорогостоящих гидравлических приводов, что определяет малые затраты на их изготовление, установку и эксплуатацию.

В данной работе исследуются принципы работы различных конструкций ИФА, определяются параметры структурных элементов и их влияние на виброзащитные свойства подвески АТС.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе приводится экспертная оценка значимости свойств подвески для пользователей серийных легковых автомобилей, а также рассматривается влияние демпфирующего элемента подвески АТС (амортизатора) на некоторые основные эксплуатационные свойства автомобиля. Проводится анализ недостатков современных ГА, на основе которого приводится их классификация.

Исходя из рассмотренного материала, указываются направления по улучшению виброзащитных характеристик подвески АТС, существующие в настоящее время. В данном контексте рассматриваются уже известные две конструкции ИФА; проведён анализ их свойств, на основе которого обозначены требующие дополнительного исследования направления по созданию более компактных, функциональных и надёжных конструкций ИФА.

Во второй главе, опираясь на анализ устройства базовых конструкций ИФА, определяется его общая структурная схема, на базе которой создаются различные структурные схемы подвесок АТС с ИФА, на основе которых разрабатываются динамические модели подвески АТС с ИФА.

Введены оценочные показатели конструкции ИФА.

В третьей главе разрабатываются методики определения виброзащитных свойств колебательной системы в зависимости от параметров ИФА. Приведено описание установок для экспериментального определения виброзащитных свойств подвески АТС с использованием опытных образцов ИФА.

В четвертой главе излагаются расчётно-теоретические и экспериментальные исследования ИФА. Определяется влияние параметров структурных элементов конструкции на её функциональность в целом, а так же на виброзащитные свойства подвески АТС. Результаты, представленные в виде АЧХ, наглядно иллюстрируют большинство выводов, полученных в ходе исследования ИФА.

Экспериментальные исследования в настоящей работе представлены стендовыми испытаниями опытных конструкций ИФА и дорожными испытаниями одного из опытных образцов.

В пятой главе на основании анализа результатов проведённого исследования предлагаются различные конструкции ИФА с улучшенными, по сравнению с базовыми, свойствами. Проводится сравнение полученных вариантов ИФА по конструкционным критериям, таким как: габариты, масса, технологичность и надёжность.

Приводится методика определения параметров МПД ИФА с одноступенчатым червячным редуктором, позволяющим реализовать эффект дополнительного трения на маховике без дополнительных устройств за счёт потерь в передаче; описание варианта задней подвески для грузового автомобиля с использованием червячного ИФА. Детально описывается новая конструкция реечного ИФА с внутренним зацеплением маховиков; на предложенную конструкцию подана заявка на изобретение.

Разработана методика расчёта ИФА в зависимости от параметров подвески и характера нагружения.

В заключение работы даны общие выводы о выполнении задач исследования.

В приложениях к работе представлены: анкеты проведённого опроса среди водителей автомобилей, обзор подвесок серийно выпускаемых автомобилей отечественного производства, описание стенда для испытания шин и элементов подвески автотранспортных средств, расчёт фрикционного механизма ИФА (и других параметров и элементов конструкции, в частности определение параметров конструкции ИФА с ШВП), ЗО-изображения новых конструкций ИФА.

Проведённые исследования показали, что подвеска АТС с использованием улучшенных конструкций ИФА обладает высокими виброзащитными свойствами; разработанные варианты применения ИФА и методики определения параметров его структурных элементов позволяют создавать ИФА для различных подвесок современных АТС; это позволяет улучшить уровень существующих систем подрессоривания путём простой замены гидроамортизаторов на ИФА. * *

Автор глубоко признателен своему научному руководителю - д.т.н., профессору Рябову Игорю Михайловичу, который предоставил возможность заниматься интересным научным и полезным на практике исследованием вопроса повышения плавности хода автомобиля, быть продолжателем традиций конструкторской школы подрессоривания при ВолгГТУ, что не только почётно, но и весьма ответственно.

Автор пользуется случаем, чтобы поблагодарить друзей и коллег, содействовавших написанию диссертации, которые помогли многими полезными советами, вселили понимание и уверенность в значимости выполненной работы, в особенности, к.т.н. Константина Чернышева за участие в разработке математического аппарата диссертации и создании прикладной программы расчёта.

Автор рад продолжающемуся сотрудничеству с доцентом кафедры «АУ» к.т.н. В.В. Новиковым, который оказал практическое содействие в организации и подготовке лабораторных экспериментов опытных образцов ИФА.

Автор адресует слова благодарности работникам кафедры «Автомобильные перевозки» во главе с заведующим кафедрой д.т.н., профессором В.А. Гудковым за конструктивные замечания.

ВВ Воробьёв

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Согласно цели работы и поставленным задачам обобщим полученные результаты исследования.

1. Проведенная в работе оценка значимости свойств подвески для пользователей серийно выпускаемых легковых автомобилей показала, что потребители посчитали важными такие эксплуатационные свойства (в порядке убывания значимости), как скорость движения, плавность хода и проходимость; при этом большинство при возможности выбора согласны с повышенными финансовыми затратами для получения более совершенной подвески. Составлена классификация недостатков гидравлических амортизаторов, согласно которой они делятся на конструкционные, эксплуатационные и функциональные. Системный анализ недостатков ГА позволил определить, что возможности их совершенствования практически исчерпаны.

2. Разработана общая структурная схема ИФА и шесть частных структурных схем подвески АТС с ИФА. Основное различие заключается в расположении муфты и характере обратных связей. Введены новые показатели для оценки различных ИФА: удельный ход штока, удельный поворот маховика, число оборотов маховика за полный ход рейки/сошки, коэффициент снижения частоты собственных колебаний, кинематический показатель МПД. Получены формулы, которые позволяют рассчитывать размеры маховика с учётом параметров МПД. Предварительный расчёт показал, что наибольшее влияние на функциональность ИФА и, как следствие, на виброзащитные свойства подвески оказывает радиус маховика, а также параметры МПД.

3. Разработаны математические модели двухмассовой колебательной системы, которые учитывают влияние скольжения в муфте ИФА, влияние дополнительного трения на маховике и несимметричность характеристики демпфирования (разные величины момента трения в зависимости от хода подвески).

4. Созданы два опытных (с разными вариантами МПД) образца ИФА и экспериментальные установки для их испытаний. Экспериментальные исследования в настоящей работе представлены испытаниями опытных конструкций ИФА на вибростенде и дорожными испытаниями одного из опытных образцов на автомобиле "ГАЗель"-ГАЗ-2705 при движении по участкам дорожного полотна сложного переменного профиля. Разработаны методики определения перемещений подрессоренной массы при стендовых испытаниях и виброускорений в салоне автомобиля.

5. Расчёты на динамических моделях выявили следующее:

- первостепенное влияние на работу ИФА и на его функциональные возможности оказывает момент трения муфты;

- явление скольжения во фрикционной муфте ИФА проявляется за зоной низкочастотного резонанса;

- значения момента трения муфты находятся в диапазоне от 5 до 25 Нм, в зависимости от случая нагружения;

- для каждого значения длины / рычага МПД существует оптимальное значение передаточного числа. Исходя из полученных результатов, рекомендуемый диапазон передаточного отношения 1Мпд от 7 до 20.

6. Стендовые испытания опытных конструкций ИФА наглядно показали, что использование в подвеске АТС данного типа демпфера существенно (в 1,5-2 раза) уменьшает амплитуды колебаний подрессоренной массы в зоне низкочастотного резонанса за счёт снижения частоты собственных колебаний на 25.40%. Дорожные испытания на автомобиле "ГАЗель" -ГАЗ-2705 показали, что при использовании в задней подвеске опытной конструкции ИФА средние величины виброускорений в салоне автомобиля уменьшались на 20.30% по сравнению со штатной подвеской.

7. На основании анализа результатов проведённых теоретических и экспериментальных исследований, с опорой на разработанные структурные схемы, предложены различные варианты конструкции ИФА, позволяющие устранить недостатки базовых конструкций. Это такие конструкции, как «ИФРА», реечный с внутренним зацеплением и червячно-реечный. Предложена общая методика расчёта конструкций ИФА, которая позволяет целенаправленно рассчитать конструкцию ИФА под заданные условия работы.

1. Автомобили КамАЗ: Техническое обслуживание и ремонт / Барун В.Н., Азаматов Р.А., Трынов В.А. и др. — М.: Транспорт, 1984. 251с.

2. Автомобили КамАЗ-5320 и Урал-4320: Учеб.пособие / Медведков В.И., Билык С.Т., И.П.Чайковский и др. — М.: ДОСААФ, 1981. -334с.

3. Автомобиль категории D: Учебник для проф.подготовки рабочих на производстве / Ю.М.Рудников, Ю.Л. Загорин, В.М. Дагович и др. — М.: Транспорт, 1986.-319с.

4. Автотранспортные средства: Учебное пособие / А.Г.Петрушин, Волгоградский политехнический институт. Волгоград, 1989. 84с.

5. Акопян Р. А. Пневматическое подрессоривание автотранспортных средств /Львов: Вища школа, изд-во при Львов, ун-те, 1984, ч.З. 240 с.

6. Армейские автомобили. Конструкция и расчёт: Учебник в 3-х частях/Под ред. А.С.Антонова. М.: военное издательство министерства обороны СССР, 1970.-Ч. 1-3.

7. Балакина Е.В., Ревин А.А. Система «колесо-подвеска» и устойчивость движения автомобиля в режиме торможения: Монография / ВолгГТУ . -Волгоград, 2004. 306 с.

8. Бухарин Н.А. Автомобили. Л.: Машиностроение, 1973. - 504с.

9. Вахламов В.К. Автомобиль «Нива» ВАЗ-2121: учеб.пособ. для учащихся ПТУ. М.: Транспорт, 1984. - 78с.

10. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Под ред. В.Н.Челомей. М.: Машиностроение, 1981. - Т.6. Защита от вибраций и ударов / Под ред. К.В.Фролова. 1981 -456с.

11. П.Воробьёв В.В. Анализ способов регулирования характеристик амортизаторов: выпуск, раб. бакалавра. Волгоград, 1998. 77с.

12. Воробьёв В.В. Конструкции инерционно-фрикционного амортизатора //сборник «VI межвузовская региональная конференция студентов и молодых учёных Волгограда и Волгоградской области»: тезисы докладов. -Волгоград, 2001.

13. И.Воробьёв В.В. Классификация недостатков гидравлических амортизаторов // сборник «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» всероссийская научно-техническая конференция. - Тольятти, ТГУ, 2003 с 160-162.

14. Воробьёв В.В., Данилов С.В. Инерционный амортизатор с трением на маховике//сборник «IX региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области»: тезисы докладов. Волгоград, 2005. с73-74.

15. Воробьёв В.В., Данилов С.В. Виброзащитные свойства инерционный амортизатор с несимметричной характеристикой //сборник «IX региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области»: тезисы докладов. Волгоград, 2005. с76-77

16. Воробьев В.В., Рябов И.М, Чернышов К.В., Данилов С.В. Оценка плавности хода автомобиля // Грузовое и пассажирское автохозяйство. 2005. - № 3. -С35-38.

17. Галов А.В. Разработка инерционно-фрикционного амортизатора: дипломный проект. Волгоград, 1999. - 95с.

18. Голованов JI. Амортизаторы: скрытая угроза //Авторевю. 2000.- №3.- с 14.

19. Голованов JI. Народный амортизатор Monroe Sensa-Trac //Авторевю. -1996.-№7.- с20-21.

20. Гольд Б.В. Конструирование и расчёт автомобиля: Учебник для втузов.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Машгиз, 1962. - 464с.

21. Гольд Б.В. Прочность и долговечность автомобиля. М.: Машиностроение, 1974.-328с.

22. Гольд Б.В., Фалькевич Б.С. Теория, конструирование и расчёт автомобиля: Учебник для высших технических учебных заведений. М.: Машгиз, -1957.-450с.

23. Данилов С.В. Воробьёв В.В. Экспериментальное исследование собственных частот колебаний кузова маршрутного такси // сборник «X региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области»: тезисы докладов. Волгоград, 2006. с61 - 62.

24. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. 2-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 200с.

25. Дербаремдикер А.Д. Гидравлические амортизаторы автомобилей. М.: Машиностроение, 1969 - 236с.

26. Детали машин: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Н.В.Гулиа, В.Г. Клоков, С.А.Юрков; под общ. Ред. Н.В. Гулиа. М.: издательский центр «Академия», 2004.-416 с.

27. Динамика системы дорога шина - автомобиль - водитель /А. А. Хачатуров, JL В. Афанасьев, В. С. Васильев и др.; Под ред. А. А. Хачатурова. - М.: Машиностроение, 1976. - 535 с.

28. Дмитриев А.А., Чобиток В.А., Тольминов А.В. Теория и расчёт неленейных систем подрессоривания гусеничных машин. М.: «Машиностроение», -1976.-207 с.

29. Зайцев Н.В., Попов В.М., Одинцов Н.И. Справочник автомеханика. — М.: Нива России, 1993.—191с.

30. Иванов В.В. Колебания автомобиля с антиблокировочной системой при торможении: дис.канд.тех. наук. Волгоград, 1986г. - 150с.

31. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для машиностр. спец. вузов.-4-е изд., перераб.-М.: Высшая школа, 1984. -336с., ил.

32. Карагодин В.И., Шестопалов С.К. Устройство и техническое обслуживание автомобилей: учеб.пособие для водителей. — М.: Транспорт, 1991.— 223с.

33. Кленников В.М., Ильин Н.М. Автомобиль: Учебник водителя первого класса. Изд. 4-е, перероб. и доп. М.: Транспорт, 1974. - 195с.

34. Колебания автомобиля. Испытания и исследования / Я. М. Певзнер, Г. Г. Гридасов, А. Д. Конев и др.; Под ред. Я. М. Певзнера. М.: Машиностроение, 1979. - 208 с.

35. Колмаков В. И. Основы теории, расчета и проектирования транспортных машин (Подрессоривание. Динамика движения. Устойчивость). -Волгоград, типография изд-ва «Волгоградская правда», 1972. 133 с.

36. Краткий автомобильный справочник.-8-е изд., перераб. и доп. Гос.НИИ автомоб.трансп. М.: Транспорт, 1979. - 464с.

37. Кучеров В.Г. Основы научных исследований: Учеб.пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 1995.- 128с.

38. Леликов О.П. Выбор и расчёт стандартной шариковинтовой передачи (ШПВ) // Справочник. Инженерный журнал. 1998.-№1. - с 35-41.

39. Леликов О.П. Основы расчёта и проектирования деталей и узлов машин // Справочник. Инженерный журнал. 1997.-№8. - с 51-54.

40. Леликов О.П. Шариковые винтовые передачи. Технические условия // Справочник. Инженерный журнал. 1997.-№9. - с 20-27.

41. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». М.: Машиностроение, 1989. - 240 е.: ил.

42. Лукин П.П. Конструирование и расчет автомобиля. М.: Машиностроение, 1984.-376с.

43. Ляшенко М.В. Методы оптимизационного синтеза систем подрессоривания и элементов ходовых систем гусеничных сельскохозяйственных тракторов, адаптированных к условиям эксплуатации: дис. доктора тех. наук. -Волгоград, 2003г.

44. Михайловский Е.В., Серябряков К.Б., Тур Е.Я. Устройство автомобиля: Учебник для учащихся автотранспортных техникумов. 6-е изд. - М.: Машиностроение, 1987.-352с.

45. Надёжность объёмных гидроприводов и их элементов М., «Машиностроение». 1977.- 167с., ил

46. Наумов Б.А. Автомобиль: Учебник водителя второго класса. М.: Транспорт, 1985.- 186с.

47. Новиков В. В. Расчет инерционно-фрикционных амортизаторов подвесок // Грузовик &. М.: Машиностроение, 2005. - №3. - с 22 - 23.

48. Новиков В. В., Рябов И. М. Оценка виброзащитных свойств подвески АТС //Справочник. Инженерный журнал. -М.: Машиностроение, 2004-№12.

49. Новиков В.В., Рябов И.М. Техника эксперимента: Учеб.пособие-Волгоград: ВолгГТУ, 1999. 80с.

50. Новый способ гашения колебаний /Рябов И. М., Новиков В. В., Чернышов К. В., Васильев А. В. // Motauto'98: Proceeding / Union of mechanical engineering and etc. Sofia, 1998. - Vol. 3. - C. 153 - 156.

51. OCT 37.001.291-84. Автотранспортные средства. Технические нормы плавности хода.

52. ОСТ 37.001.252-82. Автотранспортные средства. Методы определения основных параметров, влияющих на плавность хода.

53. ОСТ 37.001.275-84. Автотранспортные средства. Методы испытаний на плавность хода.

54. Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных вузов/ Е.Я.Юдин, С.В.Белов, С.К. Баланцев и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983.-432с.

55. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: расчёт, проектирование и обслуживание опор: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 608 е.: ил.

56. Победин А. В., Ходес И. В., Мезенцев М. С. Автоматизация проектирования подвески трактора: Учеб. пособ. Волгоград: ВолгПИ, 1990.-109 с.

57. Раймпель И. Шасси автомобиля: Элементы подвески /Пер. с нем. A. JI. Карнухина: Под ред. Г. Г. Гридасова. М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

58. Распределение энергии в цикле колебаний подвески АТС / Рябов И.М., Новиков В.В., Чернышов К.В., Васильев А.В., Осинцев О.В. // Справочник. Инженерный журнал. М: Машиностроение, 1998. - № 4. - с 31 - 33.

59. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 496с.

60. Розенберг Ю. А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин.-М.: Машиностроение, 1970.-315с.

61. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля и его колебания. 2-е изд. М.: Машгиз, 1960. - 356с.

62. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля. Колебания и плавность хода. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1972. - 392с.

63. Рябов И.М. Повышение эксплуатационных качеств АТС на основе синтеза амортизаторов, пневмогидравлических рессор и колёс с улучшенными эксплуатационными свойствами: Дис.док.техн.наук.- Волгоград, 1999.-317с.

64. Рябов И. М., Кузнецов Н. Г. Захарьин А. Б. Инженерные методы анализа и синтеза подвески АТС //Научный вестник. Вып.1. Инженерные науки / Волгогр. ГСХА.-Волгоград, 1997.-е 100-104.

65. Рябов И.М., Кузнецов Н.Г. Куликов А.В. Инженерный метод прогнозирования свойств систем подрессоривания // Эффективность эксплуатации транспорта: Межвуз. науч. сб. / Саратов. ГТУ. Саратов, 1995.-е. 79-81.

66. Рябов И.М., Новиков В.В, Воробьев В.В., Данилов С.В., Смолянов О.В. Инерционные амортизаторы со сдающим элементом для подвесок АТС // Грузовик &. М.: Машиностроение, 2005. - № 4. - с 9 - 10

67. Рябов И.М., Новиков В. В., Чернышов К. В., Воробьев В. В., Галов А. В. Амортизаторы с рекуперацией энергии в цикле колебаний // Справочник. Инженерный журнал. М.: Машиностроение, 2001. - №7.-сЗ 1-34

68. Скиндер И.Б. Лиэпа Ю.А. Гидравлические телескопические амортизаторы. Атлас конструкций. М.: Машиностроение, 1968. - 85с.

69. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. кн 2. под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979. - 358 е., ил.

70. Труханов В.М. Надёжность в технике. М.: Машиностроение, 1999. - 598с.

71. Устройство и эксплуатация автотранспортных средств: Учебник водителя / Роговцев В.П., Пузанков А.Г., Олдфильд В.Д. и др. — М.: Транспорт, 1989.—432с.

72. Фрикционные механизмы с сульфоцианированными парами трения. А.В. Кириулин, А.А. Боровиков, B.C. Филатов, В.А. Куликов, Е.Т. Цай. JL, «Машиностроение» 1972г. 168с., ил.

73. Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по расчёту надёжности машин на стадии проектирования. М.: Машиностроение. 1986. - 224 е., ил.

74. Цимбалин В.Б., Успенский И.Н. Шасси автомобиля: Атлас конструкций. -М.: Машиностроение, 1977. 108с.

75. Чернышов К.В. Улучшение виброзащитных свойств и стабильности характеристик пневмогидравлических рессор: дис.канд.тех. наук. -Волгоград, 1999г.- 171с.

76. Чупраков Ю. И. Гидравлические системы защиты человека-оператора от общей вибрации. М.: Машиностроение, 1987. - 224с.

77. Шасси автомобиля. Атлас конструкций: Учеб.пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1977.-94с.

78. Шестопалов К.С. Легковые автомобили: Учеб.пособие для подготовки водителей транспортных средств категории «В». 4-е изд., перереб и доп. -М.: ДОСААФ,1983.-208с.

79. Яблонский А.А, Норейко С.С. Курс теории колебаний: учеб. пособие для студентов втузов. 3-е изд.,испр. и доп. - М.: Высшая школа, 1975г. - 248с.

80. AutoPARTS №3 2001 с 7-14 (подписной специализированный журнал).

81. AutoPARTS №8 2001 с 12-13.