автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Метод снижения нагруженности элементов передней оси путем выбора рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля

На правах рукописи

00504ЬООУ

Надеждип Владимир Сергеевич

МЕТОД СНИЖЕНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРЕДНЕЙ ОСИ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ

Специальность 05.05.03 — Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ию;-; 20(2

Москва-2012

005045535

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Балабин Игорь Венедиктович

Официальные оппоненты: Кушвид Рубен Петрович - доктор

технических наук, профессор, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Красавин Павел Александрович -кандидат технических наук, доцент, доцент ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/»

Ведущая организация ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

Защита состоится 21 июня 2012 г. в 16°° на заседании диссертационного совета Д212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023. г. Москва, ул. Б. Семеновская. 38. МГТУ (МАМИ) /Университет машиностроения/, ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/».

Автореферат разослан 19 мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.С. Щетинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При криволинейном движении наблюдается повышенная нагруженность балки моста, повышенный износ шкворневого узла, а также усталостное разрушение поворотного кулака грузового автомобиля. В связи с этим была выдвинута гипотеза о возможности снижения нагру-женности элементов передней оси путем автоматического изменения углов наклона плоскостей качения управляемых колес грузового автомобиля в процессе эксплуатации, что повысит надежность, долговечность и безопасность автомобиля в целом.

Целью работы являлись уточнение математической модели и аналитическое исследование влияния углов наклона управляемых колес на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля. Разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля

Объекты исследований - грузовые автомобили при криволинейном движении. Предмет исследования - нагруженность элементов передней оси от силовых факторов, возникающих в пятне контакта с учетом поперечного крена кузова и боковой податливости шин.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании методов теории движения колесных машин и прикладной математики. Экспериментальные исследования проводились на грузовом автомобиле с использованием экспериментальной балки передней оси.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выполнен анализ аналитического исследования нагруженности элементов передней оси грузового автомобиля;

- определена целевая функция, учитывающая напряженное состояние в основных элементах передней оси и позволяющая вычислять зависимость изменения параметров угловой ориентации управляемых колес от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля. Проведена оптимизация динамического процесса криволинейного движения;

- предложен алгоритм создания программного обеспечения для бортового компьютера, что позволит в перспективе создать автоматические самонастраивающиеся системы, реализующие оптимальные законы изменения углов наклона плоскостей качения управляемых колес;

- даны рекомендации по выбору рациональных углов наклона осей поворота управляемых колес для семейства грузовых автомобилей марки КамАЗ.

Практическая значимость. Разработан метод снижения нагруженно-сти элементов передней оси путем выбора оптимальных соотношений между углами наклона плоскостей качения управляемых колес и скоростью движения с радиусом поворота, что способствует снижению материалоемкости и повышению надежности, долговечности и безопасности грузового автомобиля в целом. Предложены практические рекомендации по выбору рациональных параметров угловой ориентации осей поворота управляемых колес грузовых автомобилей.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- уточненная математическая модель грузового автомобиля при криволинейном движении, учитывающая наклон плоскостей качения управляемых колес;

- результаты экспериментальных исследований по оценке напряженно-деформированного состояния элементов передней оси автомобиля при криволинейном движении;

- аналитический метод расчета зависимости углов наклона плоскостей качения управляемых колес от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля;

- обобщенная методика выбора рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля при движении по криволинейной траектории.

Реализация результатов работы. Метод определения законов изменения углов наклона плоскостей качения управляемых колес при криволинейном движении используется ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» при проектировании современных типов грузовых автомобилей и в учебном процессе в МГМУ «МАМИ» при подготовке инженеров по специальности «Автомобиле- и тракторостроение».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседании кафедры «Автомобили» МГМУ (МАМИ) (2012г.), на 65-ой международной конференции Ассоциации Автомобильных инженеров (ААИ) «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (г. Москва, 2009г.), на Молодежной научной конференции BAO г. Москвы «Роль молодежи в инновационном развитии науки» (г. Москва, 2009 г.), на Международной на-

учно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 2010г.), на 77-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров» (г. Москва, 2012г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, среди которых 2 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 190 страницах машинописного текста, включая 28 рисунок, 3 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и сформулирована ее основная цель.

В первой главе содержится анализ публикаций, посвященных состоянию вопроса исследования криволинейного движения и влияния параметров качения управляемых колес, определяющих их положение относительно дорожной поверхности, на прочностные параметры основных элементов передней оси и эксплуатационные характеристики грузового автомобиля.

Анализ литературных источников показал, что движение автомобиля по криволинейной траектории, сопровождающееся действием боковых возмущений, представляет значительную опасность, связанную с возникновением различного рода критических ситуаций. При этом основные детали и узлы находятся в критическом, с точки зрения нагружения, состоянии. Анализ источников, посвященных влиянию криволинейного движения и параметров качения управляемых колес на возникновение силовых факторов в пятне контакта колеса с дорожным покрытием и перераспределение нагрузок между осями и колесами, показывает, что именно силовые факторы в пятне контакта определяют напряженно - деформированное состояние (НДС) основных элементов передней оси грузового автомобиля. При этом неустойчивое движение на криволинейной траектории чревато потерей транспортным средством (ТС) устойчивости и управляемости, что может являться причиной тяжелых последствий дорожных происшествий.

Исследованиям, связанным с определением силовых факторов, действующих на автомобиль и его колеса при повороте посвящены работы В.П. Ветчинкина, A.M. Горелика, Ю.А. Ечеистова, Г.В. Зимелева, В.А. Иларионо-

ва, ВМ. Кнороза, Б.И. Морозова, Я.М. Певзнфа, Р.В. Ротенберга, Ю.Г. Стефановича, АА. Тарутина, В.М. Трубниюва, Б.С. Фалькевича. Эта работы указывают на необходимость учета крена подрессоренных масс, бою во ft податливости шин и кинематики подвески при рассмотрении вопросов, связанных с перераспределением силовых факторов между осями и колесами при криволинейном движении.

Существующие методы расчета элементов передней оси грузового автомобиля подробно рассмотрены в работах ГА. Гаспарянца, Б.В. Гольда, АИ.Гришкевича,ПЛ. Лукина, В.ФРодионова, В.М. Шариповаи др.

Исследованиями влияния параметров качения управляемых юлес на функционалшые характеристики грузового автомобиля, занимались И.В. Ба-лабин, JUL Гинцбург, A.M. Горелик, Е.В. Кленниюв, ВИ. Кнороз, К.С. Колесников, A.C. Литвинов, ЮИ.Неймарк, Я.М. Певзнер,Б.С. Фалькевич,НА Фуфаев, ЕА. Чудаков, др. Эти работы показали влияние на устойчивость и управляемость характеристик шин и параметровустановки управляемых колес.

Однаиэ в настоящее время отсутствуют уточненные математические модели грузовых автомобилей и методы расчета нагруженное™ осношых элементов передней оси с автоматическим изменением параметров угловой ориентации управляемых юлес.

Вышеизложенное позволило сформулировать основные задши данной работы.

Во второй главе Во второй главе представлена концепция ночного подхода к изучению натру жен но ста основных элементов передней оси автомобиля в зависимости от его конструктивных факторов. Обоснован выбор наиболеенагруженных элемента в передней оси и наиболее опасных сечений.

При движении автомобиля на повороте суммарная центробежная сила инерции направлена перпендигулярно касательной, проведенной к траектории движения центра масс автомобиля (рис.1). Из этого следует, что даже при равномерном движении автомобиля на поюроте происходит перераспределение нагрузки по осям и колесам не толы® в поперечном, но и в продольном напраалениях, что вызывает дополнительное нагружение всех элементов передней оси автомобиля. Торможение автомобиля при криволинейном движении вызывает еще большее перераспределение нагрузки, а, следовательно^ бол ее нагруженное со стояние элемента в передней оси. При тагом экстремальном случае движения, напряжения в отдельных деталях передней подвески и переднего моста могут до ста гать критических знагений и тем самым привести к повышенным износам и, в пределе, к поломке и аварии, что непосредственно связано с проблемой безопасности автомобиля.

Рис. 1. Сила инерции, действующая на автомобиль при криволинейном движении Возможностью оказывать влияние на перераспределение нагрузки от действующих в пятне контакта силовых факторов может стать автоматическое изменение углов наклона плоскостей качения управляемых колес. В этом случае, путем изменения плеч для сил, действующих в пятне контакта, изменяется нагруженность в элементах передней оси автомобиля.

Рассмотрим две схемы автомобиля: в первом случае плоскость наклона плоскости качения управляемых колес наклонена в сторону от центра поворота (рис. 2); во втором случае плоскость наклона плоскости качения управляемых колес наклонена в сторону к центру поворота (рис. 3).

Рис. 2. Схема автомобиля с наклоном Рис. 3. Схема автомобиля с наклоном

плоскостей колес от центра поворота плоскостей колес к центру поворота

На рисунках введены следующие обозначения:

2шг, '¿упш - радиальная (вертикальная) сила в пятне контакта на наружном и внутреннем колесах соответственно;

Ушп Утш - осевая сила в пятне контакта на наружном и внутреннем колесах соответственно;

4л Лти1 - центр пятна контакта наружного и внутреннего колес;

Ун ~ угол наклона плоскости качения наружного управляемого колеса;

Иу — смещение пятна контакта, вследствие осевой податливости шины;

Ьу - смещение пятна контакта, вследствие наклона плоскости качения управляемого колеса;

Fyi — часть поперечной составляющей силы инерции, приходящейся на переднюю ось автомобиля;

I - смещение центра подрессоренных масс вследствие крена;

G - вес автомобиля;

ha - высота центра масс автомобиля относительно дорожной поверхности;

he - расстояние (по вертикали) от центра масс автомобиля до оси крена.

В первом случае (см. рис. 2) величина смещения центра пятна контакта относительно начального положения при прямолинейном движении складывается из двух составляющих: смещения от наклона плоскости качения и смещения вследствие осевой податливости шины колеса. При этом уменьшается плечо радиальной силы и силы тяжести, что способствует неблагоприятному влиянию сил, возникающих в пятне контакта, на нагруженность элементов передней оси и негативно сказывается на устойчивости автомобиля против опрокидывания. Во втором случае (см. рис. 3) величина смещения центра пятна контакта относительно положения при прямолинейном движении будет определяться разностью этих же составляющих. При этом возможно увеличение плеча радиальной силы и силы тяжести, что позволит оказывать благоприятное влияние на нагруженность элементов передней оси грузового автомобиля и его устойчивость против опрокидывания.

Независимо от направления наклона плоскостей качения управляемых колес автомобиля горизонтальное смещение t, вследствие крена, направлено в сторону от центра поворота. Это способствует значительному перераспределению вертикальных нагрузок между наружным и внутренним колесами, что вносит свои коррективы в напряженное состояние несущих элементов передней оси грузового автомобиля.

При определении силовых факторов, действующих на элементы конструкции переднего моста грузового автомобиля в режиме криволинейного движения, используется расчетная схема, изображенная на рис. 4. Анализ литературных источников показывает, что наиболее нагруженными являются поворотный кулак, шкворневой узел и балка моста передней оси, при этом наиболее опасными сечениями можно считать: срединное сечение шкворня, площадку крепления рессоры к балке и галтель цапфы поворотного кулака (рис. 5), которые обозначены I-I, II-II и III-III соответственно.

Изгибающие моменты сечениях I-I, II-II и III-III:

Mu¡ = Zmr-li - Ynar-r,

Л/„ // = Znar'lll- Ymr-r,

^ulll = Znarlm - Ynar-r.

ЕГ

средняя атоскость

колеса / 'ш

III

Рис. 5. Схема расчета поворотного кулака

Рис. 4. Схема сил, действующих на управляемый мост и эпюра

изгибающих моментов Автоматическое изменение угла наклона к дорожной поверхности управляемых колес, через которые передаются реакции дороги на элементы передней оси, способно оказывать влияние на внутренние силовые факторы, возникающие в элементах передней оси грузового автомобиля, разгружая их или напротив, вызывая дополнительное нагружение.

Данный факт долгое время не находил отражения в методике расчета элементов конструкций передних осей. В связи с этим исключалась возможность оценки влияния наклона плоскостей качения управляемых колес на НДС деталей передней оси грузового автомобиля. Впервые, данная проблема была затронута в исследованиях под руководством проф., д.т.н. И.В. Балаби-на. Была выдвинута гипотеза о возможности введения дополнений к предложенной расчетной схеме (см. рис. 4), которые сделают возможным решение задачи о влиянии наклона плоскостей качения управляемых колес на нагру-женность основных элементов передней оси грузового автомобиля.

Согласно рис. 2. и 3., изменение изгибающего момента в вертикальной плоскости в опасном сечении элемента передней оси зависит от изменений величин радиальной и осевой сил, а также их плеч. Изменение плеч этих сил происходит из-за смещения пятна контакта вследствие боковой податливости шин КР а также вследствие наклона плоскости качения колеса.

В процессе эксплуатации автомобиля, величины изгибающих моментов в вертикальной плоскости в элементах передней оси изменяются от значений при прямолинейном движении, до значений при экстремальном криволинейном движении. Постоянное изменение величины изгибающего момента напрямую оказывает влияние на усталостное разрушение элемента, что может привести к нарушению работоспособности всего автомобиля в целом. Изме-

няя параметры угловой ориентации управляемых юлес, можно уменьшить амплитуды колебаний изгибающих моменто в и, тем самым, повысить преде! выносливости элемента.

За наиболее опасное сечение было выбрано центральное сечение шкворня, так как шкворневой узел - главный элемент, обеспечивающий правильную установи и кинемати}^ управляемых колес.

Очевидно, что нецелесообразно добиваться нулевого значения суммарного изгибающего момента в опасном сечении, так как при прямолинейном движении величина суммарного изгибающего момента вновь станет отличной от нуля. Если же величину суммарного изгибающего момента в вертикал ьной пло сю ста в опасном сечении оставить постоянной при всех случаях дшжения, то это благоприятно скажется на НДС элемента. Реализация такого условия состоит в том, чтобы суммарный изгибающий момент в вертикальной плоскости в опасном сечении при фиволинейном движении был равен суммарному изгибающему моменту в том же сечении при прямолиней-номравномерномдвижении (вдальнейшемпросто прямолинейное):

^криволинейное-^прямолинейное

В этом случае напряжения в опасном сечении будут оставаться постоянными, независимо от режима движения и экстремальный режим окажется возможным полностью нейтрализовать и, тем самым, существенно защитить осношые детали от перегрузок и повысить предел выносливости, надежность, долговечность и безопасность грузового автомобиля в целом.

В третьей главе содержится вывод аналитических зависимостей для изгибающих моментов в вертикальной плосюсш в опасных сечениях наиболее нагруженных элементов передней оси грузового автомобиля. Проведено теоретическое исследование влияния углов наклона плоскостей качения управляемых иэлес на нагруженность передней оси грузового автомобиля при фиволинейномдвижении.Определенацелевая функция и проведенаоп-тимизацияпфаметровушоюй ориентации плоскостей качения управляемых колес автомобиля, при движении по криволинейной траектории. Даны рекомендации по выбору рациональных параметровупловой ориентации осей по-воротауправляемых колес.

В общем случае для любого сечения наружной части передней оси изгибающий мо мент может быть о пределен зависимостью (рисб и 7): Мъ =Мг-Му=2тг{Ъг-Ъу +П~(Упаг-У,ор)(г,со5Гн),

где \=г1,ътун - смещение пятна юнтакга вследствие наклона колеса;

Y -У

Änar dop u

у = ——- - смещение контакта вследствие боковой податливости

^ь

шины;

Сь - боковая жесткость шины;

Y<hp = ^-nar sin Ун - дополнительная боковая сила, которую может воспринимать наружное колесо по отношению к центру поворота, вследствие наклона плоскости качения;

Z^ Ymr - радиальная и боковая силы в пятне контакта, на наружном, наиболее нагруженном колесе;

I — расстояние от центра пятна контакта при прямолинейном движении до рассматриваемого поперечного сечения продольной оси. Моменты, действующие в опасных сечениях: в шкворне: Msh = Znar{hr -hy+lj- (Ynar - YJop){rd cosyH); в цапфе: Mc =Znar[hy-hy +lc)-{Ynar-Ydop){rdcosrH)\ в рессоре: Mr = Znar (hr -hy+lr)- (Ynar - Ydop ){rd cos yH),

где Ish lc, lr - расстояния от центра пятна контакта при прямолинейном движении до опасных сечений в шкворне, цапфе и рессоре соответственно.

Рис.6. Схема динамической модели Рис.7. Схема определения изгибающих

автомобиля для определения силовых моментов в сечении при наклоне колеса факторов в пятне контакта с учетом крена и боковой податливости шин

Группируя тригонометрические функции:

Msh = ash sin /н + bsh sin ун cos ун - csh cos ун + dsh,

Мс = асsinrH + КsinУн cosУн ~Сс c°sУн+dc,

М =ar sin rH + brsin Ун cos Ун ~ crcos Ун + dr,

Г Ynar

где = + ; bsh = Z„rd; csh = Ynarrd ■ dsh = ZmrQsh - ;

Y

ac = Zmr{rd Z„arrd ■ cc = Ymrrd; dc = ZnJlc ;

= Z„Jrd Z„arrd; cr = Y„arrd; = Zm{lr .

Выражения для радиальной и боковой сил Гш, в пятне контакта (см рис 6) выведены в ряде источников, посвященных теории движения автомобиля. Зависимости брались для предельного случая - начала опрокидывания так как в этом случае происходит максимальное перераспределение силовых факторов между осями и бортами автомобиля. Учитывая эти зависимости, коэффициенты можно записать в виде:

+ f^W^^

а = ГЛ--2 ВВ,

----2 ВВ,

2ВВ,

----2ВЯ

■-ffxf -£ -«-фд^я) ь = Ы-8---

2ВВ,

- - -----

--

C„g R L

При оптимизации процесса движения автомобиля по криволинеинои траектории, в качестве целевой функции принимаем разность изгибающих моментов в опасном сечении при криволинейном и прямолинейном равномерном случаях движения. При достижении целевой функцией минимального значения напряженное состояние будем считать идеальным. Р(ун, R, V)=min(MSk-kriv-MSh-pr), где V- скорость движения автомобиля; R - радиус поворота;

ун - угол наклона плоскости качения наружного, по отношению к центру поворота, колеса;

Msh-kriv, Msh.pr - изгибающий момент в опасном сечении (шкворень) при

криволинейном и прямолинейном случаях движения;

Для проведения оптимизации необходимо ввести ограничения на независимые параметры:

V <V<V - скорость движения автомобиля на повороте ограни-

r min- шах г

чена минимальным и максимальным значениями;

<R< Rmax - радиус поворота ограничен минимальным и максимальным значениями;

in <ун< у™** - угол наклона плоскости качения наружного управ-

ляемогоколесГограничен минимальным и максимальным значениями. Приняты следующие ограничения параметров оптимизации: V-9...36 [м/с]; R=17...143 [м], у„€[-5°,30] или если в радианах, то у„

^"^^шшения трудоемкости вычислений и уменьшения числа итераций решение оптимизационной задачи разбивалось на два этапа.

' На первом этапе на плоскости определения, ограниченной значениями скорости и радиуса поворота автомобиля выбирался массив множества значений углов наклона плоскостей качения колес в количестве сто равноудаленных точек, что вполне достаточно с точки зрения полноты описания исследуемой проблемы. После этого, для каждой точки решалась дискретная задача оптимизации функции одной переменной

F(y) =min(MSh-kriv-Msh-pr)- п

¿¡я поиска локальных минимумов на области определения значении

углов наклона гТ * Ун * ГГ, использовался градиентный метод первого

порядка^ ^ этапе производилась аппроксимация дискретных значений углов наклона плоскости качения наружного управляемого колеса, с целью

получения непрерывной зависимости угла наклона плоскости качения наружного колеса от скорости движения и радиуса поворота автомобиля.

Решение искалось в виде полинома 3-ей степени:

Графическое отображение проведения аппроксимации показано на рис. 6. На первом этапе высчитывалось множество из 100 дискретных значений, взятых равноудалено на всей плоскости определения (рис. 8, а). На втором этапе полиномом третьей степени производилась аппроксимация этих значений (рис.8, б, в), для чего решалась система уравнений:

^ = 0, 1 = 0...9.

да,.

Достигая оптимальных параметров нагруженности некоторого выбранного сечения, в остальных сечениях оптимум может не достигаться. Для учета трех наиболее опасных сечений использовался метод наименьших квадратов, при этом минимизировалась функция:

ПУ„) = гшп[(М!Ь_1г -Мл_рг)2 + {Мсар_кг - Мсар_рг)2 + (Мт_кг + Мю_рг)2},

где М^-кг, Msh.fr - изгибающий момент в среднем сечении шкворневого узла при криволинейном и прямолинейном случаях движения;

Мсар.^, Мсар-рг - изгибающий момент в сечении, проходящем через галтель поворотного кулака, при экстремальном (криволинейном) и прямолинейном случаях движения;

Мю-кг, М^-рг - изгибающий момент в сечении, проходящем через опорную площадку рессоры, при экстремальном (криволинейном) и прямолинейном случаях движения;

При учете всех трех сечений, поверхность строилась аналогично поверхности для срединного сечения шкворня. На рис. 9 показана зависимость угла наклона плоскости качения управляемого наружного колеса от скорости движения и радиуса поворота с учетом трех сечений для грузового автомобиля КамАЗ-65115.

Полученные поверхности позволяют при любых текущих значениях скорости движения и радиуса поворота автомобиля однозначно определить величину угла наклона плоскости качения управляемого наружного колеса, при котором нагруженность основных элементов будет оптимальна с точки зрения рассмотренных выше критериев.

Км/с

скорость автомобиля

Ум/с скорость автомобиля

С

угол наклона о.х | колеса рад

Км/с корость автоматы

Рис. 8. Аппроксимация дискретной зависимости угла наклона плоскости качения наружного управляемого колеса от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля; а) дискретные значения угла наклона плоскости качения колеса; б) и в) ап-проксим анионная поверхность.

Необходимо оценить изменение нагруженное™ в других рассматриваемых сечениях. На рис. 10,11 показано графическое отображение величин изгибающих моментов в вертикальной плоскости для различных случаев движения при достижении оптимальных значений в шкворне. Красным цветом показаны зависимости для фиволинейного равномерного движения с реализацией оптимального угла наклона наружного, относительно центра поворота, колеса для шкворневого узла Синим цветом отображены зависимости для случая криволинейного равномерного движения, при котором плоскости качения управляемых колес остаются перпенди^лярными поверхности дорожного полотна. Зеленый цвет соответствует зависимостям, при которых угол наклона наружного колеса выбирался из условия учета трех наиболее опасных сечений: галтели цапфы поворотного кулака, срединного сечения шкворневого пальца и опорной площадки рессоры. Желтым

цветом показаны зависимости изгибающего момента в вертикальной плоскости при прямолинейном равномерном движении.

Как видно из графиков, при реализации автоматического изменения углов наклона управляемых колес большая часть поверхностей, учитывающих наклон колес оказывается выше уровня, соответствующего прямолинейному равномерному движению, что снижает амплитуду колебаний величин изгибающего момента.

Рис. 9. Зависимость угла наклона плоскости качения наружного управляемого колеса от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля «КамАЗ-65115» с учетом трех опасных сечений

Рис. 10. Распределение моментов в Рис.11. Распределение моментов в

цапфе поворотного кулака при опорной площадке рессоры при

равномерном криволинейном движении равномерном криволинейном движении

Кроме того, движение грузового транспорта редко связано с резкими ускорениями и набор скорости на грузовых автомобилях идет плавно и медленно, поэтому уменьшение величины изгибающего момента в вертикальной плоскости при прямолинейном движении с ускорением будет незначитель-

ным. С другой стороны, резкое торможение при прямолинейном движении весьма вероятно, что вызывает значительное увеличение уровня нагрузок, отображенных желтым цветом.

Выводом для вышесказанного может являться утверждение, что рабочей зоной для основных элементов передней оси грузового автомобиля будут величины изгибающих моментов в вертикальной плоскости, лежащие выше поверхности, отображающей прямолинейное равномерное движение вплоть до максимальных значений, соответствующих резкому торможению. Очевидно, что при реализации рекомендуемых углов наклона плоскостей качения управляемых колес большая часть поверхностей лежит в рабочей зоне, что благоприятно скажется на нагруженности, а, следовательно, долговечности и надежности основных элементов передней оси грузового автомобиля.

Для оценки долговечности детали можно привести цикл нагружения к симметричному циклу. Оценим, как будет изменяться предел выносливости а.! для цапфы и опорной площадки рессоры. Поворотные кулаки и балки ведущих мостов выполняются из стали 40Х. Предел выносливости для асси-метричного цикла будет определяться зависимостью:

О"-!

где Ц/а - коэффициент чувствительности к ассиметрии цикла, для указанного материала а — ОД ;

и (Ут - амплитудное и среднее значения нормального напряжения от изгибающего момента в вертикальной плоскости;

Расчет приведен для скорости движения автомобиля 75 км/ч, при радиусе поворота 75 м.

, аь" 1600,549-0,1* (-6500,5)

Для цапфы получаем соотношение =-:-—.>-Мг = 1,29.

^ ст!, 1600,549-0,1 »(-1442,25)

стТ 11505,9 - ОД * (3629,537)

Для опорной площадки рессоры =-:-:—-.-( = 1,05.

^ У * * а<л 11505,9-0,1 »(8687,891)

Таким образом, для среднестатистического режима движения (скорость 75 км/ч, радиус поворота 75 м) при активном управлении углами наклона колес наблюдается снижения предела выносливости до 5% для опорной площадки рессоры и до 29% для цапфы поворотного кулака.

Регулировка углов установки колес и положения осей поворота колес ТС является скрытым резервом производителя, выявление которого приводит к значительному снижению нагруженности основных элементов передней оси и существенной экономии расхода топлива, а также может сказываться на управляемости, устойчивости, маневренности и износе шин автомобиля.

Поэтому разработка мероприятий по определению рациональных углов установки является актуальной проблемой при конструировании новых модификаций. Как было показано выше, оптимальным является обеспечение переменных, в процессе эксплуатации, угловых параметров управляемых колес, что может быть осуществлено путем автоматического изменения положения осей поворота передних колес. Такая задача может быть решена, например, созданием саморегулирующегося автоматического шкворневого узла, изменяющего углы наклона оси поворота переднего колеса в зависимости от радиуса поворота и скорости движения ТС. Однако, несмотря на несомненную перспективность, создание таких конструкций, особенно на ранней стадии разработок, может столкнуться с проблемами высокой материалоемкости и низкой надежности, и решение таких проблем потребует времени и дальнейших исследований. Кроме того, существующий парк грузовых автомобилей не может быть мгновенно заменен новыми модификациями, а переоборудование будет экономически не выгодным.

Выходом из сложившейся ситуации может являться разработка рекомендаций по выбору рациональных значений углов установки осей поворота управляемых колес для уже существующих конструкций в зависимости от условий эксплуатации.

При этом с одной стороны, требуется создание единичного производства, так как для каждой модели при различных условиях эксплуатации необходимы свои рациональные углы установки осей поворота управляемых колес. С другой стороны, для изменения угла наклона плоскости качения управляемого колеса необходимо изменить только продольный угол шкворня, что, для грузовых автомобилей с зависимой подвеской, вполне хорошо реализуется путем установки вкладышей между балкой переднего моста и рессорой. Поэтому при выдаче рекомендаций по рациональным значениям углов осей поворота управляемых колес, необходимо указать типоразмер вкладыша в зависимости от условий эксплуатации самого автомобиля.

Важным аспектом при реализации рекомендуемых углов наклона плоскостей качения управляемых колес является изменение кинематики поворота управляемых колес. Данный факт позволяет увеличить угол поворота управляемых колес при криволинейном движении и уменьшить, тем самым, внешний габаритный радиус поворота грузового автомобиля. Например, для автомобиля КАМАЗ 65115, реализация рекомендуемых углов наклона позволит увеличить угол поворота колес на 1,5°, что снизит внешний габаритный радиус поворота с 10 м до 9,46 м. Особенно это важно при эксплуатации грузового автомобиля в городских условиях.

Сопоставление конструкций отечественных грузовых автомобилей показало, что проблеме изменения продольных ушовосей поворота уделялось оченьмало внимания. Анализ полученных зависимостей угловнаклонаплоо костей качения управляемых колес позволил сделать рекомендации по выбору рационального значения продольного угла наклона о си поворота колес. При значении продолшого угла наклона оси поворота управляемых кэлес равном 8°, кинематика плоскости качения ыэлес будет максимально приближена к полученным аналитически зависимостям. При этом будет наблюдаться снижение нагруженносга элементов передни! оси иуменьшение внешнего габаритного радиуса поворота, что положительно скажется на надежности, безопасности,долговечности и маневренности грузового автомобиля.

В четвертой главе приведены исследования влияния наклона плосю-стей качения управляемых юлес на нагрузочный режим элементов передней оси грузового автомобиля с использованием натурного эксперимента на базе ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Испытания проводились с использованием экспериментальной балки мостана автомобиле КамАЭ-53218 (рис.12).

Напряжения определялись методом тензометрирования, выходные сигналы тензорезисторов регистрирован и сь измерительной тензометрической системой СИИТ-3.

Из привел ягной на рис. 4 эпюры изгибающих моментов, нагружающих переднюю ось при фиволинейном движении, следует, что поперетные сечения наружной по отношению кцентру поворотачасти балки нагружены тем больше, чем ближе их положение к шкюрню, при этом наибольшие напряжения должны возникать на крайних волокнах сечения. Однаю малая шири-наплоских поверхностей полоксечений,расположенных в непосредственной близости от шкворневого отверстия не позволяет разместить на них тензоре-зисторы.

В связи с этим было принято решение определять напряжения на верхней полке сеченияЫ (см.рис.4) какнанаиболееблизиэм кшкворневому отверстию с шириной плосюй поверхности полки, достаточной для размещения тезор ези сторо в.

Эксперимент состоял из дьух частей. В первой части эксперимента у г-лы наклонаосей поворотауправляемых нал ее составляли: в продольном направлении у = 3°, в поперечном направлении /7 = 8° (значения, рекомендуемые производителем). Во втором случае данным параметрам задавались значения: у = 10°, /? = 0°.

В каждой части эксперимента заезды выполнялись на кру го вой площадке с сухим асфальтобетонным покрытием. Нагружение передней оси осугце-

ствлялось в результате равномерного движения автомобиля по круговой траектории, радиус которой составляет 12 м со скоростью 30 км/ч. Автомобиль двигался по кругу так, чтобы левая часть балки передней оси, на которой размещены тензорезисторы, являлась наружной по отношению к центру круговой траектории, т.е. автомобиль выполнял правый поворот.

Рис. 12. Экспериментальная балка. КамАЗ 53218

Подобный режим движения сопровождается перераспределением нагрузок, при котором на наружный борт приходится 4/5 массы снаряженного автомобиля. Таким образом, выбранный режим близок к критическому, который может иметь место при криволинейном движении.

Сопоставляя значения напряжений при у = 3°, /? = 8° и при у = 10°, Р = 0°, можно увидеть, что напряжения во втором случае сократились в среднем на 9,3%, что качественно подтвердило теоретические расчеты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Результатом данной работы являются научно обоснованные рекомендации по повышению прочностных характеристик несущих элементов передней оси грузового автомобиля при криволинейном движении путем автоматического изменения положения плоскостей качения управляемых колес, обеспечивающего оптимальные режимы нагруженности шкворневого узла, опорной площадки рессоры и галтели поворотного кулака.

2. Анализ конструкций подвесок грузовых автомобилей и НДС основных элементов передней оси показал, что современные конструкции не обес-

печивают оптимальных угловых параметров качения управляемых колес при криволинейном движении, что приводит к появлению экстремальных режимов нагруженности основных элементов передней оси и негативно сказывается на надежности и безопасности грузовых автомобилей.

3. Получено аналитическое выражение на основе предложенной профессором, д.т.н. Балабиным И.В. зависимости углов наклона и поворота управляемых колес, позволяющее согласовать скорость, углы поворота и наклона плоскостей качения управляемых колес к центру поворота с учетом действующей на автомобиль боковой нагрузки при движении по криволинейной траектории, что открывает возможность оптимизации прочностных характеристик элементов передней оси, при одновременном улучшении целого ряда основных эксплуатационных свойств автомобиля, таких как устойчивость, управляемость, снижение износа шин и энергозатрат на их качение.

4. Реализация полученных зависимостей углов наклона плоскостей качения управляемых колес от скорости и радиуса криволинейного движения способствует как снижению нагруженности элементов передней оси по максимальной величине амплитуды, так и позволяет избежать знакопеременно-сти действующих нагрузок, увеличивая тем самым долговечность и улучшая картину напряженного состояния основных элементов передней оси грузового автомобиля. При этом достигается повышение предела выносливости от 5% до 30% в зависимости от элемента передней оси, скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля.

5. Полученные результаты подтверждают рекомендации, отраженные в исследованиях, посвященных уменьшению износа шин и повышению устойчивости и управляемости грузовых автомобилей, перевозящих опасные и жидкотекучие грузы при движении по криволинейной траектории.

6. Проведенный на автополигоне ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» натурный эксперимент с применением специальной экспериментальной оси подтвердил наличие положительного эффекта по снижению уровня нагруженности элементов передней оси грузового автомобиля, достигаемого в результате обеспечения наклона плоскостей управляемых колес к центру поворота.

7. Результаты данного исследования показали, что автоматическая адаптация изменения наклона плоскостей качения управляемых колес не может быть достигнута при постоянных значениях углов установки осей поворота (шкворней) управляемых колес, что обосновывает правомерность вывода о необходимости обеспечения изменяемых углов, отслеживающих режимы прямолинейного и криволинейного движения. Конструкторское воплощение реализации оптимальных углов наклона плоскостей качения управляемых колес к центру поворота, обеспечивающих минимизацию действую-

щей нагрузки на основные элементы передней оси, может быть в полной мере осуществлено при наличии схемы независимой подвески, что в настоящее время является перспективным направлением в развитии конструкции грузовых и специальных автомобилей. Материалы исследования позволили сделать рекомендации о целесообразности использования результатов исследования при проектировании передней оси грузового автомобиля. Предложен алгоритм вычисления рациональных параметров угловой ориентации плоскостей качения управляемых колес.

8. Значения углов наклона плоскостей качения управляемых колес, как показывают расчеты, являются реально достижимыми величинами и лежат в пределах до 30 градусов.

9. Отслеживание угловых параметров плоскостей качения колес в реальном времени обеспечит оптимальные значения углов установки управляемых колес и исключит текущую периодическую регулировку на стационарных специализированных пунктах в течение всей эксплуатации.

10. Для грузовых автомобилей с зависимой подвеской можно рекомендовать значение продольного угла наклона оси поворота управляемых колес равным 8°. При этом кинематика поворота управляемых колес будет максимально приближена к рекомендованных расчетным зависимостям углов наклона плоскостей качения, полученных в результате теоретических расчетов.

11. При реализации зависимостей углов наклона плоскостей качения управляемых колес от скорости движения и радиуса поворота, возможно снижение внешнего габаритного радиуса поворота, что положительно скажется на маневренности грузового автомобиля. Например, для КамАЗ 65115 величина внешнего габаритного радиуса поворота снижается с Юм до 9,46, что составляет 5,4%.

12. Полученные аналитические соотношения представляют одно из новых направлений теории движения и расчета автомобиля и могут быть рекомендованы для включения их в соответствующие курсы учебного процесса.

13. Оформлена и принята к рассмотрению заявка на полезную модель адаптивного шкворневого узла, позволяющего обеспечить автоматическое изменение углов наклона плоскостей качения управляемых колес грузового автомобиля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Балабин И.В., Надеждин B.C. Изменение угла наклона плоскости вращения управляемых колес как фактор оптимизации напряженно-деформированного состояния основных несущих элементов оси автомобиля. // Материалы 65-ой международной конференции Ассоциации Автомобиль-

ных инженеров (ААИ) «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» М., МГТУ «МАМИ», 2009.-С. 45-51

2. Балабин И.В., Надеждин B.C. Оптимизация углов наклона плоскостей вращения управляемых колес при криволинейном движении — эффективный путь повышения надежности и ресурса несущих узлов автомобиля // «Автомобильная промышленность» №4, 2009. - С. 17-19 (входит в перечень ВАК).

3. Балабин И.В., Морозов С.А., Надеждин B.C. Параметры качения управляемых колес как фактор повышения устойчивости автомобиля и прочностных характеристик несущих узлов // Тезисы докладов Молодежной научной конференции BAO г. Москвы «Роль молодежи в инновационном развитии науки» 28-29.10.2009. - С. 143-148

4. Балабин И.В., Лукьянов М.Н., Надеждин B.C., Рыбакова М.Р. Управление нагруженностью несущих узлов передней оси автомобиля путем выбора рационального угла наклона плоскости качения управляемых колес // Известия МГТУ «МАМИ» №2, 2010. - С.14-19 (входит в перечень ВАК).

5. Балабин И.В., Надеждин B.C. Исследование и оптимизация угловых параметров управляемых колес по критерию прочности основных несущих элементов передней оси автомобиля // Материалы Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» М.: МГТУ «МАМИ», 2010.-С. 514-518

6. Балабин И.В., Надеждин B.C., Чабунин И.С. Состояние проблемы по выбору углов установки осей поворота управляемых колес грузового автомобиля и рационализация этих параметров // Материалы 77-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров», М.: МГТУ «МАМИ», 27-28 марта 2012.

Владимир Сергеевич Надеждин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Метод снижения нагружеииости элементов передней оси путем выбора рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля»

Подписано в печать Заказ Объем 1,0 п.л. Тираж 100

Бумага типографская Формат 60x90/16

МГТУ «МАМИ», 107023, Москва, Б. Семеновская ул., дом. 38

61 12-5/3904

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МАМИ)

На правах рукописи

Надеждин Владимир Сергеевич

МЕТОД СНИЖЕНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРЕДНЕЙ ОСИ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Балабин И. В.

Москва 2012

Оглавление

Введение.......................................................................................5

Глава 1. Современное состояние вопроса изучения криволинейного движения и влияния параметров качения управляемых колес на функциональные характеристики и прочностные параметры основных элементов передней оси грузового автомобиля.......................................................................9

1.1 Анализ работ, посвященных расчету основных элементов передней оси грузового автомобиля.....................................................................10

1.2 Обзор исследований, посвященных влиянию криволинейного движения на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля.... 14

1.3 Анализ работ, по изучению влияния параметров качения управляемых колес на функциональные характеристики грузового автомобиля и износ шин............................................................................................19

1.4 Основные выводы, постановка цели и определение задач исследования..29 Глава 2. Угловые параметры плоскостей качения управляемых колес и нагруженность деталей основных элементов передней оси грузового автомобиля...................................................................................33

2.1 Общие положения.....................................................................33

2.2 Влияние эластичности шин на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля...................................................35

2.3 Влияние крена подрессоренных масс на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля......................................38

2.4 Исследование нагруженности основных элементов передней оси грузового автомобиля и формирование модели, учитывающей перераспределение нагрузок между бортами.........................................39

2.5 Оценка влияния положения плоскостей качения управляемых колес

на параметры установившегося криволинейного движения грузового автомобиля...................................................................................47

2.6 Выводы...................................................................................49

Глава 3. Исследование влияния ориентации плоскостей качения управляемых колес по отношению к центру поворота на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля при криволинейном движении. Вывод аналитической зависимости для изгибающих моментов в опасных сечениях наиболее нагруженных элементов передней оси грузового автомобиля. Формирование целевой функции и реализация процесса оптимизации.................................................................................51

3.1 Определение нагруженности основных элементов передней оси грузового автомобиля без учета крена подрессоренных масс и боковой податливости шин............................................................................................56

3.2 Определение нагруженности основных элементов передней оси грузового автомобиля с использованием модели, учитывающей крен подрессоренных масс и боковую податливость шин......................................................58

3.3 Исследование и обоснование выбора наиболее нагруженных элементов передней оси грузового автомобиля и наиболее опасных зон тела несущей балки..........................................................................................61

3.4 Исследование и установление аналитической зависимости для изгибающих моментов в опасных сечениях передней оси от угла наклона плоскости качения управляемого колеса, скорости движения и угла поворота грузового автомобиля.....................................................................62

3.5 Аналитическое решение задачи выбора оптимального угла наклона плоскости качения управляемых колес в зависимости от угла поворота и скорости движения грузового автомобиля............................................65

3.5.1 Расчет оптимальных параметров угловой ориентации управляемых колес и их влияние на нагрузочный режим наиболее опасного сечения передней оси.................................................................................68

3.5.2 Комплексное решение задачи с учетом влияния параметров угловой ориентации управляемых колес на все опасные зоны передней оси грузового автомобиля...................................................................................

3.6 Выводы...................................................................................91

Глава 4. Экспериментальное исследование влияния положения плоскостей управляемых колес на напряженно-деформированное состояние основных элементов переднего моста при движении по криволинейной траектории.. ..93

4.1. Цель исследования. Измерительно-регистрирующая аппаратура. Подготовка к проведению эксперимента..............................................93

4.2. Градуирование измерительной системы..........................................98

4.3. Подготовка, методика и проведения эксперимента...........................103

4.4. Результаты эксперимента..........................................................105

4.5. Анализ степени соответствия рекомендаций по выбору оптимальных угловых параметров качения управляемых колес с позиции прочности основных элементов передней оси и устойчивости грузового автомобиля... 108

4.6. Выводы.................................................................................110

Основные результаты и выводы.......................................................111

Библиография..............................................................................114

Приложения................................................................................131

Введение

В соответствии с Концепцией развития автомобильной промышленности России одной из основных задач, которую приходится решать государству и отрасли, является кардинальное повышение уровня безопасности автотранспортных средств, что должно повлечь за собой снижение тяжести последствий от ДТП за счет совершенствования их конструкции на 20 - 25% [119].

Неотъемлемой составляющей безопасности автомобиля в целом является повышение уровня его надежности, долговечности и безотказности. На практике надежность силовых конструкций зависит от многих факторов и в первую очередь от распределения напряжений в элементах, от характера технологических процессов при ее изготовления, от вида и качества соединений элементов конструкции между собой и др. По данным, упомянутым ранее в [119], экономические потери от усталостных разрушений составляют около 4% национального продукта. Анализ напряженно - деформированного состояния (НДС) позволяет не только оценить прочностные свойства в целом, но и предоставляет возможность дальнейшей рационализации проектирования конструкции в направлении обеспечения равнопрочности с точки зрения эффективности использования материала.

Криволинейное движение автомобиля является наиболее опасным, с точки зрения устойчивости и нагруженности элементов конструкции передней оси, режимом движения.

Наиболее остро данные аспекты проявляются на грузовых автомобилях, автобусах и автомобилях малого класса повышенной вместимости, т.е. для транспортных средств с малым значением коэффициента поперечной устойчивости. Поэтому улучшение эксплуатационных характеристик, помимо таких как устойчивость и управляемость, за счет снижения

нагруженности, а, следовательно, увеличение долговечности и надежности несущих узлов автомобиля при криволинейном движении является актуальной проблемой, решение которой в заметной степени позволит повысить активную безопасность автомобиля.

Автомобильное колесо - уникальнейший узел, воспринимающий все внешние силы (вертикальные, боковые, касательные), действующие на автомобиль со стороны дорожного покрытия, а также их моменты. Таким образом, колесо, при его взаимодействии с опорной поверхностью, можно рассматривать как мини лабораторию, в которой зарождаются и реализуются, в различных системах и агрегатах автомобиля, процессы, формирующие все важнейшие эксплуатационные свойства автомобиля. Поэтому весьма актуальным представляется детальное рассмотрение влияния угловых параметров плоскостей качения управляемых колес на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля.

Важное место в Концепции развития автомобильной промышленности России отведено повышению экологических и экономических параметров автомобилей. В связи с этим необходимо иметь в виду, что одним из основных факторов, обусловливающих расход топлива при эксплуатации, является сопротивление качению колес автомобиля. В процессе преодоления сил, препятствующих качению, имеет место истирание протектора шины и, как следствие, загрязнение частицами протектора поверхности дорожного полотна и атмосферы, что в масштабе мирового автомобильного парка наносит непоправимый ущерб экологическому состоянию территорий, лежащих в окрестностях городов и большого количества многокилометровых автомобильных магистралей. Наибольшим сопротивлением качению в процессе поворота автомобиля обладают колеса управляемой оси в силу частого изменения их положения относительно дорожной поверхности. Установлено, что износ шин при движении автомобиля на повороте увеличивается пропорционально четвертой степени скорости автомобиля

[90]. Поэтому, задача уменьшения проскальзывания в пятне контакта шин управляемых колес в режиме криволинейного движения, а, следовательно, и интенсивности их износа, представляет большой практический интерес и решение ее во многом определяется оптимальным положением плоскостей управляемых колес относительно дорожной поверхности [9].

Изменение ориентации плоскостей качения управляемых колес, являющихся связующим звеном автомобиля с дорогой, не может не отражаться на нагруженности основных элементов подвески автомобиля. Влияние положения управляемых колес не ограничивается нагрузочным режимом элементов подвески, снижение уровня которого открывает возможности минимизации величины неподрессоренных масс, износа шин и сопротивления качению, а, следовательно, положительно скажется на устойчивости автомобиля при движении по криволинейной траектории и динамике взаимодействия колеса с неровностями дороги [90], позволяя повысить прочность и надежность основных элементов передней оси автомобиля.

Работа состоит из четырех глав и приложений. В первой главе содержится анализ публикаций, посвященных состоянию вопроса исследования криволинейного движения и влияния параметров качения управляемых колес, определяющих их положение относительно дорожной поверхности, на эксплуатационные характеристики грузового автомобиля и прочностные параметры основных элементов передней оси. На основе изложенного материала сформулированы цель и задачи отдельных этапов работы.

Во второй главе представлена концепция научного подхода к изучению нагруженности основных элементов передней оси автомобиля от его конструктивных факторов. Проведен расчет, позволяющий оценить степень влияния параметров ориентации плоскостей качения управляемых колес к

опорной поверхности на нагруженность основных узлов передней оси грузового автомобиля.

В третьей главе содержится вывод аналитической зависимости для изгибающих моментов в вертикальной плоскости в опасных сечениях наиболее нагруженных деталях передней оси грузового автомобиля. Проведено теоретическое исследование влияния углов наклона плоскостей качения управляемых колес на нагруженность передней оси грузового автомобиля при криволинейном движении. Определена целевая функция и проведена оптимизация параметров угловой ориентации плоскостей качения управляемых колес автомобиля, при движении по криволинейной траектории.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния наклона плоскостей управляемых колес на нагрузочный режим основных элементов передней оси грузового автомобиля с использованием натурного эксперимента на базе НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ». Определение напряженного состояния данных элементов выполнен с применением метода тензометрии.

Работа завершается общими результатами и выводами, достигнутыми в ходе проведенного исследования. Даны практические рекомендации по совершенствованию конструкции грузовых автомобилей, позволяющие повысить их эксплуатационные качества, а также содержатся рекомендации о включении результатов данного исследования в учебные курсы соответствующих дисциплин.

Глава 1. Современное состояние вопроса изучения криволинейного движения и влияния параметров качения управляемых колес на функциональные характеристики и прочностные параметры основных элементов передней оси грузового автомобиля

Движение автомобиля по криволинейной траектории, сопровождающееся действием боковых возмущений, представляет значительную опасность, связанную с возникновением различного рода критических ситуаций. По данным зарубежной статистики прошлых лет 65% аварий происходит на закруглениях дорог, и только, следовательно, 35% дорожных происшествий имеют место на прямолинейных участках. Неустойчивое движение на криволинейной траектории чревато потерей автомобилем управляемости, заносом и опрокидыванием, что является причиной тяжелых последствий дорожных происшествий. При этом все основные несущие детали и узлы находятся в критическом, с точки зрения нагружения, состоянии. Движение на повороте требует от водителя максимального внимания, поэтому решение задач по разработке конструктивных мероприятий, которые позволят ему максимально адаптироваться к условиям движения и быть уверенным в надежности транспортного средства, становится чрезвычайно необходимым. Вышеизложенное позволяет утверждать, что решение вопросов, связанных со снижением уровня перегрузки основных деталей передней оси, совершенствованием систем, обеспечивающих повышение надежности столь ответственных узлов, оказывает прямое влияние на активную безопасность и улучшение параметров устойчивости и управляемости автомобиля. Это является достаточным обоснованием актуальности избранной проблемы исследования.

Помимо повышения нагруженности элементов передней оси режим криволинейного движения автомобиля негативно отражается на показателях износа шин [67]. Таким образом, задача минимизации силовых факторов,

возникающих в пятне контакта шины с дорожной поверхностью при движении по криволинейной траектории, представляется весьма важной.

Благодаря наличию пневматической шины неровности дорожного покрытия не столь сильно сказываются на нагруженности основных элементов передней оси, как это могло бы быть при ее отсутствии. Шина работает как дополнительный буфер и поглощает силовые возмущения от неровностей, не передавая их на несущие элементы [152]. Этот факт указывает на то, что более опасным с точки зрения прочности и надежности деталей передней оси является криволинейное движение автомобиля на ровной дороге.

В силу перечисленных особенностей криволинейное движение автомобиля представляет теоретический и практический интерес и требует специального изучения вызываемых им негативных явлений с целью их минимизации.

1.1 Анализ работ, посвященных расчету основных элементов передней оси грузового автомобиля

При конструировании желательно уменьшать массу неподрессоренных частей автомобиля, так как при этом снижается динамическая нагрузка на автомобиль и на дорогу, что способствует повышению надежности и увеличению срока службы автомобиля и дороги [42]. Кроме того, с уменьшением неподрессоренных масс улучшаются контакт колес с дорогой и плавность хода автомобиля.

Расчетный режим полуосей и балок мостов можно свести к трем случаям [42]:

1. Продольное усилие (толкающее, тормозное) достигло максимального значения, ограниченного величиной сцепления с опорной поверхностью, при этом поперечное усилие отсутствует;

2. Поперечное усилие достигло максимального значения, ограниченного величиной бокового скольжения, при этом отсутствует продольное усилие;

3. Вертикальное усилие достигло максимального значения с учетом коэффициента динамичности (переезд через неровность), при этом поперечное и продольное усилия считаются равными нулю.

В критических условиях эксплуатации полуоси могут выходить из строя из-за усталостных разрушений.

При расчете ведущих мостов основные размеры определяются исходя из трех случаев, рассмотренных выше. При этом опасное сечение балки обычно располагается возле рессорной подушки. В балках с запрессованными трубами необходимо также проверять на прочность сечение трубы у картера (для случая заноса).

Управляемый мост предназначен для восприятия усилий, действующих между опорной плоскостью и рамой или кузовом автомобиля (вертикальных, опорных, поперечных), а также реактивных моментов.

Кроме общих требований мосты должны обеспечивать [42]:

1. Передачу усилий между рамой и кузовом автомобиля и управляемым