автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Метод улучшения вибродемпфирующих параметров автомобильной подвески путем выбора рациональных параметров динамических гасителей колебаний колес

На правах рукописи

Домнин Дмитрий Александрович

МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЬНОЙ ПОДВЕСКИ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ КОЛЕС

Специальность 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА, 2005

Работа выполнена на кафедре «Автомобили» им. Е.А. Чудакова Московского государственного технического университета «МАМИ» НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

кандидат технических наук, профессор В.И. Сальников ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Е.А. Галевский кандидат технических наук, с.н.с. А.Д. Давыдов

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ГНЦ РФ «НАМИ»

Защита диссертации состоится 23 июня 2005 г. в 14°° на заседании диссертационного Совета Д212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б.Семеновская, 38, МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «£3> мая 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Û ^ _

доктор технических наук, профессшэ^^^Т^^ /C.B. Бахмутов/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В последние годы при конструировании автомобилей предъявляются все более высокие требования к эффективности работы автомобильных подвесок, поскольку они должны обеспечивать высокую плавность хода, устойчивость и управляемость автомобиля.

Большое влияние на эксплуатационные свойства автомобиля оказывает защита его систем, а также водителя, пассажиров и перевозимого груза от динамических воздействий со стороны дороги, при этом значительное внимание уделяют стабильности контакта колес с дорогой. Это приводит к тому, что приходится все глубже изучать сущность процессов, происходящих в виброзащитных системах, и переходить на новые методы борьбы с колебаниями автомобиля.

В настоящее время автомобиль как колебательная система имеет ряд направлений, изучению которых уделялось недостаточно внимания. К одному из таких направлений можно отнести исследование вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля с динамическими гасителями колебаний колес.

Данная работа посвящена исследованию вибродемпфирующих свойств подвески автомобиля малого класса с динамическими гасителями колебаний колес при случайном воздействии со стороны дорожных неровностей, а, также разработке метода выбора рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей в зависимости от типа дороги и скоростного режима движения автомобиля. В ней отражены исследования, проводившиеся в ФГУП НИЦИАМТ и на кафедре «Автомобили» им. Е.А. Чудакова МГТУ «МАМИ» в 2004 году.

Целью работы является улучшение вибродемпфирующих параметров автомобильной подвески с помощью подбора рациональных параметров динамических гасителей колебаний колес.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положены методы аналитической механики, численные методы математического анализа,

ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ библиотека

С.Петербург Л. О»

методы спектрального анализа. Практические исследования включали методы обработки результатов эксперимента.

Объект исследования - легковой автомобиль малого класса ВАЗ-21099. В работе исследованы вибродемпфирующие характеристики передней подвески автомобиля с динамическими гасителями колебаний.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- Разработана математическая модель колебаний автомобиля, учитывающая динамические гасители колебаний колес;

- Разработан метод и его алгоритм выбора рациональных вибродемпфи-рующих параметров динамических гасителей колебаний колес;

- Разработана конструкция и изготовлены образцы динамических гасителей для проведения экспериментальных исследований.

Практическая ценность. Разработано программное обеспечение, реализующее эту модель, которое может использоваться на автомобильных предприятиях, занимающихся задачами улучшения эксплуатационных характеристик автомобилей.

Выполнены оптимизационные расчеты, на основании которых даны рекомендации по улучшению вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля малого класса путем выбора рациональных параметров динамических гасителей колебаний колес.

Реализация работы. Разработанная математическая модель колебаний автомобиля с динамическими гасителями колебаний колес, а также созданный на ее основе пакет прикладных программ, переданы в ДТР ОАО «АВТОВАЗ» и используются при создании легковых автомобилей.

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Автомобили» им. Е.А. Чудакова Московского государственного технического университета «МАМИ». Основные положения диссертации докладывались на:

- XXXIX Международной научно - технической конференции АЛИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров»;

- 49-ой Международной научно - технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов. Работа в целом содержит 128 страниц машинописного текста, 74 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 133 наименований и одно приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и определена ее цель.

В первой главе выполнен обзор и анализ работ, посвященных исследованиям колебаний автомобиля. Выполнен краткий обзор методов улучшения виб-родемпфирующих параметров подвески автомобиля. Были проанализированы существующие методики оценки плавности хода, сформулированы цель и задачи работы.

Вопросы, посвященные колебаниям автомобиля, рассмотрены в работах многих ученых: Беленького Ю.Б., Гинцбурга JI.JI., Григоряна Г.П., Гридасова Г.Г., Гришкевича Д.И., Дербаремдикера А.Д., Енаева A.A., Конева А.Д., Ломакина В.В., Межова А.Е., Мельникова A.A., Морозова Б.И., Новака В.В., Панко-ва В.Е., Пархиловского И.Г., Певзнера Я.М., Плетнева А.Е., Полунгяна A.A., Прутчикова O.K., Ротенберга Р.В., Рыкова C.II., Силаева A.A., Скиндера И.Б., Степанова И.С., Тарасика В.П., Фалькевича Б.С., Фурунжиева Р.И., Юдкевича М.А., Яценко H.H., Chiesa A., Ellis J., Fiala Е., Hahn W., Julien M., Marguard E., Mitschke M., Oberto L. и др. Особенно следует отметить работу научного коллектива под руководством Хачатурова A.A., в которой были проведены глубочайшие исследования по плавности хода автомобилей. В этой работе рассматривается большое количество различных математических моделей водителя,

автомобиля, окружающей среды и накоплено достаточно много материала по микропрофилю дорог, что позволило проводить глубокие исследования не только по плавности хода, но и в других областях.

Рассмотрены различные методы повышения эффективности работы автомобильных подвесок.

Показано, что решение проблемы улучшения вибродемпфирующих параметров автомобильной подвески на современном этапе связано с активными подвесками, имеющими систему автоматического регулирования (САР). Подвески автомобилей могут регулироваться сразу по нескольким параметрам: по высоте, крену кузова и т.д. Но эти подвески пока еще достаточно дорогие, поэтому наиболее рациональным является использование полуактивных подвесок подстраивающихся под дорожную ситуацию информация, о которой носит статистический характер.

Рассмотрены различные конструкции динамических гасителей колебаний колес, позволяющие добиться значительного улучшения вибродемпфирующих характеристик автомобильной подвески.

Показаны достоинства и недостатки существующих методик оценки плавности хода.

Оценивая общее состояние проблемы, можно сделать следующие выводы:

1. На современном этапе развития автомобильной техники значительного повышения комфорта и безопасности движения можно достичь, используя новые способы улучшения вибродемпфирующих параметров подвесок автомобилей.

2. В последнее время наблюдается значительное повышение спроса на автомобили, обладающие лучшими показателями плавности хода, что указывает на актуальность разработок автомобилей, особенно малого класса, с активными подвесками. Но для массового производства эти подвески остаются достаточно сложными и дорогими.

3. К сожалению, до сих пор во многих подвесках автомобилей используются амортизаторы с фиксированными характеристиками. Улучшение вибро-

демпфирующих параметров этих подвесок достигается простым подбором тех или иных амортизаторов, что не позволяет их значительно улучшить.

4. Полуактивная подвеска представляет собой компромисс между активной и традиционной подвеской. В полуактивной подвеске параметры меняются в зависимости от дорожной ситуации, которая носит статистический характер.

5. Улучшить вибродемпфирующие параметры автомобильной подвески можно с помощью динамических гасителей колебаний колес, характеристики которых могут подстраиваться под определенный тип дороги и скорость движения автомобиля.

На основании сделанных выводов сформулированы основные задачи диссертации:

1. Разработать математическую модель колебаний автомобиля с учетом динамических гасителей колебаний колес.

2. Разработать пакет прикладных программ, реализующих эту модель.

3. Разработать метод и его алгоритм выбора рациональных вибродемп-фирующих параметров динамических гасителей колебаний колес.

4. Разработать практические рекомендации по настройкам вибродемп-

фирующих параметров динамических гасителей под определенный тип дороги

«

и скоростной режим автомобиля.

5. Разработать опытную конструкцию динамического гасителя колебаний колеса с возможностью изменения его вибродемпфирующих характеристик.

6. Провести дорожные испытания автомобиля с динамическими гасителями колебаний и без них.

7. Провести сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Во второй главе рассмотрены расчетные схемы, которые применяются при исследованиях колебаний автомобиля. На основании анализа расчетных схем была выбрана пространственная семимассовая расчетная схема колебаний

автомобиля, учитывающая динамические гасители колебаний передних колес (рис. 1).

С центром масс кузова связана система координат ХУ7. Начало всех независимых координат соответствует положению статического равновесия колебательной системы. Ординаты дорожных неровностей отсчитываются от средних линий ординат микропрофиля дороги, отдельно для левой и правой стороны автомобиля.

Рис 1 Пространственная расчетная схема колебаний

Математическая модель представлена системой уравнений (1). В данной работе колебания автомобиля описывались дифференциальными уравнениями второго порядка, для составления которых использовались уравнения динамики.

mi Zkl + kkl- {¿k\ - Kl(/))+ cc\ (Zk\- <yl(/)) — • (¿1 - Zkl)-

rl • sign(z\ -Zkl)-[el],- • (Zl - Zk\) - ka\ • (¿Zl -Zk\)-cal • (ZZ1 -ZAl) = 0

iril - Zkl + kkl • (¿kl - V2(í))+ cc2 ■ {Zk2 - q2(t))-

[k2]¡ • (¿2 - Zkl)-rl • sigr(z2 - Zkl)-[cl]¡ ■ (Zl - Zkl) = O

m3 • ZZ1 + kal ■ (¿Zl - Zk\)+ cal ■ (ZZ1 - Zkl) = O

m4 ■ Zk3 + kk3 ■ (¿кЗ - K3(<))+ ссЗ ■ (Zk3 - ql(t))-[ЛЗ],- • (¿3 - Zkd)-

r3 ■ sigr{z3 - Zk3)~ [c3]y ■ (Z3 - Zk3) - ka3 ■ (¿Z3 - ¿кз)-саЗ ■ (ZZ3 - Zk3) = O

m5 ■ Zk4 + kk4 ■ (Zk4 - V4(t))+ cc4 -(Zk4- q4(t)) -

[¿4 • (¿4 - ZU)-r4 ■ sigr(z4 - Zk4)-[c4];- • (Z4 - Zk4) = O

m6 ■ ZZ3 + каЗ ■ (¿Z3 - ¿кз)+ саЗ ■ (ZZ3 - Zkí) = O

M ZC + [¿l]y • (zl - Zkl)+ rl ■ sign(zi - Zkl)+ [cl\ ■ (Zl -Zk\)+ (1)

' [kl\ ■ (¿2 -Zk2)+r2- sigr{zi - Zkl)+ [el], ■ (Z2 - Zkl) + [/c3]( • (¿3 - Zk3)+ r3 ■ sigr{¿3 - Zk3)+ [сЗ\ ■ (Z3 - Zkí) i [k4\ ■ (¿4 - Zk4)+ r4 • sign(¿4 - Z/t4)+ [c4\ ■ (Z4 - Zk4) = O J á + a-[[Al],- • (¿1 -Zkl)+ rl ■ sigr{zi - Zkl)+ [cl];- • (Zl - ZAl)+ [k3\ ■ (¿3 - Zk3)+ r3 ■ sigr{z3 - Zk3)+ [c3)¡ ■ (Z3 - Zkí)} -b ■ [[kl]¿ (Zl - Zkl)+ rl ■ sign(zi - Zkl)+ [cl\ ■ (Z2 - ZA2)+ [k4\ ■ (¿4 - Zk4)+ r4 ■ sign(z4 - Zk4)+ [c4]- -(Z4 - Zk4)} = O Jb'p + B/2^k\\ ■ (¿1 - Zkl)+ rl - sigriizi - Zk\)+ [el],- (Zl-Z/tl)+ [kl\ ■ (¿1 - Zkl)+ rl ■ sign{zi - Zkl)+ [cl]¡ - (Z2 - Zk2)\ -B/2 ■ [[¿З],- • (¿3 - Zk3)+ r3 ■ sign(z3 - ¿кз)+ [сЗ], • (Z3 - Zkí) + [к4\ ■ (¿4 - Zk4)+ r4 ■ sign(¿4 - ¿u)+ [c4],- • (Z4 - Zk4)] = O

Для математической модели, расчетная схема которой представлена на рис. 1, приняты следующие основные допущения:

- принимается, что кузов автомобиля абсолютно жесткий;

- считается, что неподрессоренные массы абсолютно жесткие тела, сосредоточенные на осях колес;

- характеристики радиальной упругости шин нелинейные;

- коэффициенты демпфирования шин постоянны для выбранного скоростного режима движения автомобиля;

- скоростные характеристики амортизаторов нелинейные;

- характеристики вертикальной упругости передней и задней подвесок нелинейные;

- учитывается наличие сил сухого трения в передней и задней подвесках;

- коэффициенты жесткости пружин динамических гасителей и их коэффициенты демпфирования постоянны;

- считается, что автомобиль движется прямолинейно и равномерно.

Где: 2\,22,22,2^ - вертикальные перемещения кузова в точках крепления передних и задних амортизаторов; ¿1,22,23,¿4 - скорости вертикальных перемещений кузова в точках крепления передних и задних амортизаторов; 2к\,2к2,2кЪ,2Ы - вертикальные перемещения неподрессоренных масс; 2к\,2к2,2к\7М - скорости вертикальных перемещений неподрессоренных масс; 2к\,2к2,2кЗ,2к4 - вертикальные ускорения неподрессоренных масс; 22\,г23 -вертикальные перемещения масс динамических гасителей; ¿'/Л/¿21, - скорости вертикальных перемещений масс динамических гасителей; 22\,22Ъ - вертикальные ускорения масс динамических гасителей; 2С - вертикальное перемещение центра масс кузова автомобиля; 2С - вертикальное ускорение центра масс кузова; «,/? - независимые угловые координаты поворота массы М; а,р -угловые ускорения массы М.

Характеристики микропрофиля дороги: ?1(/),1/2(/)^1(/),?4(<) - ординаты микропрофиля дороги под передними и задними колесами модели; И(/), У2(/\И3(/), К4(/) - скорости изменения высот неровностей дороги.

Весовые и геометрические параметры автомобиля: М - подрессоренная масса; т\,т4,т2,т5 - передние и задние неподрессоренные массы соответственно; тЗ.тб - массы динамических гасителей колебаний; ,иь - моменты инерции кузова автомобиля относительно осей У и X соответствен-

но; а и Ь расстояния от центра тяжесги кузова автомобиля до точек крепления подвесок; В расстояния между точками крепления передних и задних амортизаторов.

Характеристики передней и задней подвесок: [с1]г[с2](,[сЗ],,[с4]( - характеристики вертикальной упругости в передней и задней подвесках; [А1|(,[*2],,[А:31,[А4]г- - характеристики демпфирования амортизаторов передней и задней подвески; П,г2,гЗ,г4 - силы сухого трения в передней и задней подвесках, где / - номер участка в кусочно-линейных характеристиках.

Характеристики динамических гасителей колебаний: са),саЗ - характеристики жесткости пружин динамических гасителей (считаются линейными); ка\,каЗ - характеристики демпфирования динамических гасителей (считаются линейными).

Характеристики радиальной динамической жесткости и демпфирования передних и задних шин:

ccl = а\ 1 • (zk\ - q\{t))+a\2 • (Zk\ -q\(tjf - жесткость передней левой шины; сс2 - а2\• (Zkl -<у2(/))+ all • (Zkl -ql(t)f - жесткость задней левой шины; ссЗ = a3\(zk3-q3(t))+a31-(Zk3-q3(t)Y - жесткость передней правой шины; сс4 - o41 -(Zk4- q4{i))+ a42-(Zk4- q4(t)f - жесткость задней правой шины; кк\М2,ккЗ,кк4 - коэффициенты демпфирования передних и задних шин, где ai 1,...,о42 - коэффициенты полиномов.

Для решения системы дифференциальных уравнений использовался метод Рунге-Кутта четвертого порядка точности.

Микропрофиль дороги представлен стационарным случайным процессом, которому соответствует корреляционная функция:

&/(/) = а2

(2)

/

Уравнения формирования ординат микропрофиля представлены следующим алгоритмом:

Я, =<?„ +4,2

?,1=ао1-*1,+А и-<7м1 ; (3)

9,2 =а02 + °12 -*2(, -<?(,-|)2 + ¿>22 ' Я(,-2)2

где / = 0,1,2,.., N - номера ординат; к - шаг между двумя соседними неровностями дороги; х„ и х2, - независимые последовательности нормально распределенных случайных величин.

Микропрофиль дороги подавался в математическую модель колебаний автомобиля, в результате чего формировался отклик. В качестве отклика использовались значения массивов виброускорений переднего (левого) колеса и передней (левой) части кузова, а также массив динамических сил действующих в пятне контакта колеса с дорогой.

Рис. 2 Структура расчетного эксперимента.

В третьей главе был разработан метод выбора рациональных вибродемп-фирующих параметров динамических гасителей колебаний колес, который описан алгоритмом (рис. 3), использующим систему Ма^саё 2000.

Рис 3 Алгоритм подбора параметров динамических гасителей колебаний

Оптимизация параметров объекта заключается в том, что происходит подбор этих параметров, при которых целевая функция достигает своего экстремума. В данной диссертации в роли целевой функции рассматривается наименьшее среднее квадратическое значение (СКЗ) вертикальных виброускорений одного из передних колес (левого) в диапазоне частот (0,7-22,4 Гц).

В настоящей работе метод определения рациональных вибродемпфи-рующих параметров динамических гасителей состоит из двух этапов.

Первый этап заключается в зондировании пространства параметров последовательностями пробных точек для определения глобального экстремума.

Вторым этапом является уточнение результатов решения с помощью метода покоординатного спуска (метода Гаусса-Зейделя), в котором направление движения к экстремуму выбирается поочередно вдоль каждой из координатных осей управляемых параметров.

Полученные настройки вибродемпфирующих параметров динамических гасителей позволили снизить виброускорения и динамические силы.

«Асфальт» 90 км/ч

-Без гасителя С гасителем

тг

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Гц

Рис 4 СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова в третьоктавных полосах частот.

6

°0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Гц

Рис. 5 СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса в третьок-

тавных полосах частот.

180

20 0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Гц

Рис. 6 СКЗ вертикальных динамических сил в пятне контакта переднего левого колеса с дорожной поверхностью.

Скорость движения, км/ч

■ Без гасителя □ С гасителем

Скорость автомобиля (км/ч) 70 90 110

Без гасителя (Н) 248,92 324,48 443,41

С гасителем (Н) 229,35 295,71 394,06

Рис 7 Интегральные С КЗ вертикальных динамических сил в пятне контакта переднего левого колеса с асфальтированной дорогой

Скорость автомобиля (км/ч) 15 20

Без гасителя (Н) 233,46 343,79

С гасителем (Н) 213,75 307,99

Рис. 8 Интегральные СКЗ вертикальных динамических сил в пятне контакта переднего левого колеса с булыжной дорогой ровного мощения.

Скорость движения, км/ч

Скорость автомобиля (км/ч) 70 90 110

Без гасителя {м/с1) 0,669 0,751 0,837

С гасителем (м/с') 0,663 0,747 0,814

Рис. 9 Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова при движении по асфальтированной дороге.

Скорость движения, км/ч

Скорость автомобиля (км/ч) 70 90 110

Без гасителя (м/с2) 5,921 10,023 16,453

С гасителем {м/с') 5,48 9,037 13,269

Рис. 10 Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса при движении по асфальтированной дороге.

Скорость автомобиля(км/ч) 15 20

Без гасителя (м/с1) 0,567 0,649

С гасителем {м/с1) 0,560 0,631

Рис. 11 Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова при движении по булыжной дороге ровного мощения.

Скорость движения, км/ч

Скорость автомобиля (км/ч) 15 20

Без гасителя (м/с1) 6,353 11,76

С гасителем {м/с1) 5,792 9,513

Рис. 12 Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса при движении по булыжной дороге ровного мощения.

В результате расчетов было установлено, что интегральные средние квад-ратические значения вертикальных виброускорений передней (левой) части кузова автомобиля снижаются незначительно. Интегральные средние квадратиче-ские значения вертикальных виброускорений переднего (левого) колеса автомобиля на асфальте и скоростях 70; 90 и 110 км/ч снижаются на 7%; 9,6% и 19,6%, а на булыжной дороге и скоростях 15; 20 км/ч это снижение 9,5% и 19,5%. В условиях движения по асфальтированной дороге снижение интегральных средних квадратических значений вертикальных динамических сил в пятне контакта колеса с дорогой составляет 7,8—11,2%. В условиях булыжной дороги это снижение 8,5% и 10,5%.

Наибольшее снижение вертикальных виброускорений колеса, кузова и динамических сил происходит на частотах близких к собственной частоте колебаний колеса на шине автомобиля (рис. 4-6). На асфальтированной дороге и скоростях 70; 90 и 110 км/ч это снижение для колеса 19,5; 29,4 и 35%, кузова 11; 14,8 и 30,6%) и динамических сил 21; 28,3 и 30,5%. На булыжной дороге ровного мощения и скоростях 15; 20 км/ч снижение вертикальных виброускорений колеса 15,8% и 35,2%, кузова 9,5% и 24,8%, динамических сил 18% и 30,4%.

Проведенные теоретические исследования показали, что для максимального снижения вертикальных виброускорений передних колес необходимо настраивать параметры динамических гасителей под определенный тип дороги и скоростной режим движения автомобиля.

Таблица 1 Наиболее рациональные параметры динамического гасителя.

Тип дороги Асфальтированная дорога Булыжная дорога ровного мощения

Скорость (км/ч) 70 90 110 15 20

Жесткость пружины гасителя с{н/м) 8500 10050 13650 9300 15250

Ко1ффициент демпфирования гасителя К(Н-с/м) 35 40 40 40 45

В четвертой главе описана методика проведения экспериментального исследования колебаний автомобиля и представлены результаты испытаний.

Объектом испытаний был выбран легковой автомобиль малого класса ВАЗ-21099. В передней подвеске исследуемого автомобиля установлены динамические гасители колебаний колес прицепного типа (рис. 13), которые крепились к передним амортизаторам с помощью специальных кронштейнов.

Рис. 13 Конструкция динамического гасителя колебаний колеса: 1 - контргайка; 2 - регулировочный болт; 3 - цилиндр; 4 - шток; 5 - инерционная масса; 6 - корпус; 7 - пружина; 8 - пластина-фиксатор; 9 - опорная шайба; 10 - гайка; 11- отверстие; 12 - шайба; 13 - кронштейн; 14 - дроссельные отверстия; 15 - гайка корпуса гасителя; А, В - полости

Динамический гаситель колебаний колеса представляет собой некоторую массивную деталь, связанную с защищаемой системой (колесом) при помоши пружины. На рис. 13 представлена схема экспериментальной конструкции динамического гасителя прицепного типа.

Эта конструкция представляет собой корпус 6, внутри которого установлен шток 4. По этому штоку может перемещаться в вертикальном направлении инерционная масса гасителя 5 (2,5 кг). Эта масса также перемещается внутри цилиндра 3, вытесняя или закачивая в него специальную жидкость через дроссельные отверстия 13, высверленные в цилиндре 3. В качестве рабочей жидкости используется амортизаторная жидкость АЖ - 12Т. Отверстие 11 служит для удаления пузырьков воздуха образующихся при сборке конструкции.

Для изменения коэффициентов демпфирования динамического гасителя служит регулировочный болт 2, который фиксируется контргайкой 1. Эта же контргайка исключает утечки жидкости через резьбовое соединение в результате работы гасителя.

На инерционной массе (поршне) 5 нарезана винтовая резьба и на нее навинчена пружина. Это необходимо для того, чтобы в процессе работы динамического гасителя не происходило отрыва массы от пружины. Для исключения эффекта отвинчивания, конец пружины отгибается и помещается в одно из нескольких отверстий высверленных в нарезанной резьбе. Эти несколько отверстий также позволяют установить определенное количество рабочих витков пружины, а значит вполне определенные значения жесткости пружины, соответствующие расчетным данным.

Другой конец пружины крепится к опорной шайбе 9, установленной в днище корпуса гасителя 6, с помощью пластины - фиксатора 8.

Сам корпус гасителя крепится параллельно к корпусу обычного амортизатора с помощью специального кронштейна 13.

Перспективным направлением является создание конструкции динамического гасителя колебаний колеса встроенного типа с соответствующей системой управления.

Рис. 14 Схема размещения динамических гасителей в подвеске автомобиля.

В ходе дорожных испытаний проводились замеры виброускорений кузова и колеса при помощи двух однокомпонентных датчиков, установленных в точке крепления переднего левого амортизатора к кузову автомобиля и к переднему левому амортизатору над центром колеса.

Испытания проводились на дорогах ФГУП НИЦИАМТ. В комплект измерительного оборудования входили: датчики виброускорений (2 шт.), тип В12/200, ф. «Хоттингер» (НВМ, ФРГ); усилитель сигналов АЕ 3407 В, ф. «Хот-тингер» (НВМ, ФРГ); магнитограф ХЯ-бЮ, ф. «ТЕАС» (Япония). Полученные в результате дорожных испытаний записи процессов колебаний подвергались статистической обработке на специальном анализаторе сигналов, тип 2133, ф. «Брюль и Къер» (В&К, Дания) по СКЗ виброускорений в 1/3-октавных полосах частот и по интегральным СКЗ виброускорений в диапазоне 0,7-22,4 Гц. Экспериментальные исследования включали следующие испытания:

• движение по асфальтированной дороге на скоростях 70; 90 и 110 км/ч без динамических гасителей колебаний передних колес;

• движение по асфальтированной дороге на скоростях 70; 90 и 110 км/ч с динамическими гасителями колебаний передних колес;

• движение по булыжной дороге ровного мощения на скоростях 15; 20

км/ч без динамических гасителей колебаний передних колес;

• движение по булыжной дороге ровного мощения на скоростях 15; 20

км/ч с динамическими гасителями колебаний передних колес.

На частотах, близких к собственной частоте колебаний колеса на шине автомобиля, отмечено значительное снижение вертикальных виброускорений колеса на 17...36% при движении по асфальтированной дороге (70... 110 км/ч) и на 20,8; 35,8% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч).

Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений колеса снижены на 8,5...16,5% при движении по асфальтированной дороге (70...110 км/ч) и на 10; 15% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч). Максимальное снижение интегральных СКЗ вертикальных виброускорений кузова составляет 3,7%.

В ходе проведения статистического анализа результатов активного эксперимента проверялась однородность дисперсий средних квадратических значений виброускорений колеса и кузова автомобиля с помощью критерия Фишера.

Количественное расхождение данных, полученных расчетным и экспериментальным путем, лежит в диапазоне 12...22%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель колебаний автомобиля, учитывающая динамические гасители колебаний передних колес, и программное обеспечение, в котором эта модель реализована.

2. Разработан метод и его алгоритм выбора рациональных вибродемп-фирующих параметров динамических гасителей колебаний колес.

3. Теоретические исследования по математической модели показали, что установка в переднюю подвеску динамических гасителей колебаний колес позволяет:

- снизить интегральные СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса на 7; 9,6 и 19,6% в условиях движения по асфальтированной дороге

на скоростях 70; 90 и 110 км/ч. В условиях движения по булыжной дороге ровного мощения на скоростях 15 и 20 км/ч это снижение составляет 9,5 и 19,5%.

- снизить интегральные СКЗ вертикальных динамических сил в пятне контакта колеса с дорогой на 7,8; 8,8 и 11,2% в условиях движения по асфальтированной дороге на скоростях 70; 90 и 110 км/ч. В условиях движения по булыжной дороге ровного мощения на скоростях 15 и 20 км/ч это снижение составляет 8,5 и 10,5%.

- снизить СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса, передней левой части кузова и динамических сил в пятне контакта колеса с дорогой на частотах, близких к собственной частоте колебаний колеса на шине. На асфальтированной дороге и скоростях 70; 90 и 110 км/ч это снижение для колеса 19,5; 29,4 и 35%, кузова 11; 14,8 и 30,6% и динамических сил 21; 28,3 и 30,5%. На булыжной доро1е ровного мощения и скоростях 15; 20 км/ч это снижение для колеса 15,8; 35,2%, кузова 9,5; 24,8% и динамических сил 18; 30,4%.

4. Установлено, что необходимо регулирование вибродемпфирующих параметров динамических гасителей в зависимости от типа дороги и скорости движения автомобиля. На основе анализа оптимизации сделаны рекомендации по настройкам параметров динамических гасителей. По конструктивным соображениям инерционная масса динамического гасителя т = 2,5кг. При движении по асфальтированной дороге на скорости 70 км/ч необходимо, чтобы динамический гаситель имел жесткость упругого элемента С = 8500(#/,и) и коэффициент демпфирования К = 35(Н с/м). На скорости 90 км/ч эти параметры имеют значения С = 10050(#/л/) и К = 40(Н ■ с/м), а на скорости 110 км/ч С = 13650(///л<) и К = 40(/У с/м). При движении по булыжной дороге ровного мощения на скорости 15 км/ч С = 9300(Н/м) и К = 40(Н-с/м), а для скорости 20 км/ч С = 15250(я/.и) и К = 45(Я • с/ и).

5. Для проведения экспериментальных исследований была разработана конструкция и изготовлены образцы динамических гасителей колебаний колес.

6. Экспериментальные исследования колебаний автомобиля с динамическими гасителями колебаний передних колес показали, что:

- СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса на частотах близких к собственной частоте колебаний колеса на шине автомобиля снижены на 17; 31 и 36% при движении по асфальтированной дороге (70; 90 и 110 км/ч) и на 20,8; 35,8% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч). Для СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова автомобиля это снижение 12,8; 21 и 28% при движении по асфальтированной дороге (70; 90 и 110 км/ч) и 15; 20% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч).

- интегральные СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса снижены на 8,5; 10 и 16,5% при движении по асфальтированной дороге (70; 90 и 110 км/ч) и на 10; 15% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч).

- интегральные СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова снижены на 3,7%.

7. Установлено, что расхождение результатов моделирования на ЭВМ с данными экспериментальных исследований составляет 12-22%, что подтверждает достаточно высокую точность математической модели.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.С. Степанов, Д.А. Домнин. «Повышение плавности хода автомобиля путем применения динамического гасителя колебаний». XXXIX Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Тезисы докладов, г. Москва, 2002 г.

2. И.С. Степанов, Д.А. Домнин. «Повышение плавности хода автомобиля путем применения динамического гасителя колебаний». XXXIX Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Сборник докладов, г. Москва, 2002 г.

3. Д.А. Домнин. «Гасители колебаний в автомобильной подвеске». "Грузовик &", 2004 г. №7. с. 20-21.

4. Д.А. Домнин. «Выбор параметров амортизатора инерционного типа с помощью программы МаЛСАО». "Грузовик &", 2004 г. №12. с. 41-42.

5. В.И. Сальников, Д.А. Домнин. «Математическое моделирование вертикальных колебаний автомобиля с учетом динамических гасителей колебаний колес». Материалы 49-ой международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», г. Москва, 2005 г.

6. В.И. Сальников, Д.А. Домнин. «Снижение вертикальных ускорений колеса динамическим гасителем колебаний». Материалы 49-ой международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», г. Москва, 2005 г.

10 8 15,

РНБ Русский фонд

2006-4 8425

Домнин Дмитрий Александрович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЬНОЙ ПОДВЕСКИ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ КОЛЕС»

Подписано в печать 44.0$. ЛОС5г. Заказ Тираж 80

Бумага типографская Формат 60x90/16

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ

1.1 Краткий обзор работ по исследованию колебаний автомобиля.

1.2 Краткий обзор методов улучшения вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля.

1.3 Основные методы оценки, критерии и нормативы плавности хода.

В последние годы все больше внимания стало уделяться проблемам комфорта и безопасности движения. При этом все более высокие требования предъявляются к эффективности работы автомобильных подвесок, поскольку они должны обеспечивать высокую плавность хода, устойчивость и управляемость автомобиля.

Большое влияние на эксплуатационные свойства автомобиля оказывает защита его систем, а также водителя, пассажиров и перевозимого груза от динамических воздействий со стороны дороги, при этом значительное внимание уделяют стабильности контакта колес с дорогой. Это приводит к тому, что приходится все глубже изучать сущность процессов, происходящих в виброзащитных системах, и переходить на иные методы борьбы с колебаниями автомобиля.

При проектировании подвески автомобиля одной из наиболее сложных проблем является выбор ее характеристик. От выбора характеристик подвески зависят многие эксплуатационные свойства автомобиля: плавность хода, средние скорости движения, безопасность и т.д. Выбор этих характеристик осложняется тем, что современные стандарты требуют высокого уровня виброзащиты водителя и пассажиров.

В настоящее время многими фирмами разрабатываются подвески нового поколения - активные или полу активные. Они способны изменять свои свойства сразу по нескольким параметрам: по высоте, крену кузова и т.д. Но эти подвески пока еще достаточно дорогие, поэтому наиболее рациональным является использование полуактивных подвесок подстраивающихся под дорожную ситуацию, информация о которой носит статистический характер.

В настоящее время автомобиль как колебательная система имеет ряд направлений, изучению которых уделялось недостаточно внимания. К одному из таких направлений можно отнести исследование вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля с динамическими гасителями колебаний колес.

Данная работа посвящена исследованию вибродемпфирующих свойств подвески автомобиля малого класса с динамическими гасителями колебаний колес при случайном воздействии со стороны дорожных неровностей, а, также разработке метода выбора рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей в зависимости от типа дороги и скоростного режима движения автомобиля. В ней отражены исследования, проводившиеся в ФГУП НИЦИАМТ и на кафедре «Автомобили» им. Е.А. Чудакова МГТУ «МАМИ» в 2004 году.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель колебаний автомобиля, учитывающая динамические гасители колебаний передних колес, и программное обеспечение, в котором эта модель реализована.

2. Разработан метод и его алгоритм выбора рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей колебаний колес.

3. Теоретические исследования по математической модели показали, что установка в переднюю подвеску динамических гасителей колебаний колес позволяет:

- снизить интегральные СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса на 7; 9,6 и 19,6% в условиях движения по асфальтированной дороге на скоростях 70; 90 и 110 км/ч. В условиях движения по булыжной дороге ровного мощения на скоростях 15 и 20 км/ч это снижение составляет 9,5 и 19,5%.

- снизить интегральные СКЗ вертикальных динамических сил в пятне контакта колеса с дорогой на 7,8; 8,8 и 11,2% в условиях движения по асфальтированной дороге на скоростях 70; 90 и 110 км/ч. В условиях движения по булыжной дороге ровного мощения на скоростях 15 и 20 км/ч это снижение составляет 8,5 и 10,5%.

- снизить СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса, передней левой части кузова и динамических сил в пятне контакта колеса с дорогой на частотах, близких к собственной частоте колебаний колеса на шине. На асфальтированной дороге и скоростях 70; 90 и 110 км/ч это снижение для колеса 19,5; 29,4 и 35%, кузова 11; 14,8 и 30,6% и динамических сил 21; 28,3 и 30,5%. На булыжной дороге ровного мощения и скоростях 15; 20 км/ч это снижение для колеса 15,8; 35,2%, кузова 9,5; 24,8% и динамических сил 18; 30,4%.

4. Установлено, что необходимо регулирование вибродемпфирующих параметров динамических гасителей в зависимости от типа дороги и скорости движения автомобиля. На основе анализа оптимизации сделаны рекомендации по настройкам параметров динамических гасителей. По конструктивным соображениям инерционная масса динамического гасителя т = 2,5кг. При движении по асфальтированной дороге на скорости 70 км/ч необходимо, чтобы динамический гаситель имел жесткость упругого элемента С = 8500(н/м) и коэффициент демпфирования К - 35(н-с/м). На скорости 90 км/ч эти параметры имеют значения С =Ш50(Н/м) и К = 40(//-с/м), а на скорости 110 км/ч С = 13650(я/л<) и л<). При движении по булыжной дороге ровного мощения на скорости 15 км/ч С = 9300{н/м) и К = 40(Н-с/м), а для скорости 20 км/ч С = 15250(#/л*) и К = 45(Н -с/м).

5. Для проведения экспериментальных исследований была разработана конструкция и изготовлены образцы динамических гасителей колебаний колес.

6. Экспериментальные исследования колебаний автомобиля с динамическими гасителями колебаний передних колес показали, что:

- СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса на частотах близких к собственной частоте колебаний колеса на шине автомобиля снижены на 17; 31 и 36% при движении по асфальтированной дороге (70; 90 и 110 км/ч) и на 20,8; 35,8% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч). Для СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова автомобиля это снижение 12,8; 21 и 28% при движении по асфальтированной дороге (70; 90 и 110 км/ч) и 15; 20% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч).

- интегральные СКЗ вертикальных виброускорений переднего левого колеса снижены на 8,5; 10 и 16,5% при движении по асфальтированной дороге (70; 90 и 110 км/ч) и на 10; 15% при движении по ровной булыжной дороге (15; 20 км/ч).

- интегральные СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова снижены на 3,7%.

7. Установлено, что расхождение результатов моделирования на ЭВМ с данными экспериментальных исследований составляет 12-22%, что подтверждает достаточно высокую точность математической модели.

1. Айзерман М.А. Классическая механика. М.: Наука, 1980. - 368с.

2. Алексеев С.П., Казаков A.M., Колотилов Н.Н. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении. М.: Машиностроение, 1970. 206с.

3. Андреев Б.В. Теория автомобиля: Красноярский университет, 1984. -145с.

4. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука,1981.-568с.

5. Ануфриев В.А. Полигонные испытания автомобильного подвижного состава и пути их развития: Труды НАМИ вып. 178, 1980. 6-17с.

6. Афанасьев B.J1. Методические указания к изучению случайных колебаний автомобиля. М.: МАДИ, 1984.

7. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. 554с.

8. Бабицкий В.И., Кобринцкий А.Е. Электродинамический демпфер: Изв. АН СССР, ОТН Механика и машиностроение, 1962. №3 81-84с.

9. Бабицкий В.И., Крупенин B.JI. Колебания в сильно нелинейных системах. М.: Наука, 1985. 320с.

10. Бахмутов С.В., Безверхний С.Ф. Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента при испытаниях автомобиля. Учеб. Пособ. М.: МАМИ, 1994. 87с.

11. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение,1982. -418с.

12. Беленький Ю.Б. Расчет пневматической подвески автомобиля. Минск: Издательство Министерства высшего и среднего образования БССР, 1963. 62с.

13. Беленький Ю.Б. и др. Влияние демпфирующих свойств шины на параметры колебаний автомобиля: Автомобильная промышленность, 1966. №12- 16-18с.

14. Беленький Ю.Ю., Маринич A.M., Петрович А.И. Исследование плавности хода седельных тягачей: труды НАМИ вып. 13, 1967. 3-1 Ос.

15. Бендат Д., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.-464с.

16. Бендат Д., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540с.

17. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. 408с.

18. Бишоп Р. Колебания. М.: Наука, 1986. 190с.

19. Вахламов В.К. Установка для испытания подвески автомобиля «Моск-вич-408» на свободные колебания: Автомобильная промышленность, 1966. №7- 14-15с.

20. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

21. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти т. М.: Машиностроение т.6, 1981. 326-365с.

22. Виленкин С.Я. Статистические методы исследования системы автоматического регулирования. М.: Советское радио, 1967.

23. Витковский С.Л. Разработка метода оценки колебательных параметров подвески при динамических испытаниях автомобилей. Дисс. .к.т.н. М.: 1998.

24. Вишняков Н.Н., Вахламов В.К., Нарбут А.Н., Шлиппе И.С., Островцев А.Н. Автомобиль: основы конструкции. М.: Машиностроение, 1986. -295с.

25. Галашин В.А., Дербаремдикер А.Д. Стендовые испытания автомобиля с пневматической подвеской на установившиеся колебания: Автомобильная промышленность, 1963. №2.

26. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969.

27. ГОСТ 12.1.012-90 Вибрационная безопасность. Общие требования. М.: Издательство стандартов, 1991.

28. Гоулд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Советское радио, 1977. -200с.

29. Григорян Г.П., Хачатуров А.А. Колебания автомобиля с линейной характеристикой амортизатора: труды НАМИ вып. 63, 1962.

30. Гришкевич А.И. Автомобили. Конструкция, конструирование и расчет. Системы управления и ходовая часть. Минск: «Вышэйшая школа», 1987.- 198с.

31. Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. Минск: «Вышэйшая школа», 1986.- 206с.

32. Гродко J1.H., Ковалева О.Б., Конспект лекций по прикладной теории механических колебаний. М.: 1981. 79с.

33. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. М.: Машиностроение, 1985. 200с.

34. Дербаремдикер А.Д. К вопросам об автоматическом регулировании сопротивления амортизатора. Автомобильная промышленность, 1964. №11- 18-20с.

35. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971.-316с.

36. Дмитриев А.А., Шупляков B.C., Яценко Н.Н. Особенности взаимодействия пневматической шины с микропрофилем дороги: Автомобильная промышленность, 1973. №5 27-30с.

37. Добронравов М.С., ИвановВ.В., Степанов И.С. Стенд для дорожных испытаний подвески автомобиля: Материалы научно-технической конференции. М.: МАМИ, 1989. 67с.

38. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибрации машин. М.: Машиностроение, 1987. 224с.

39. Дьяконов В. Mathcad 2000: учебный курс. СПб.: Питер, 2001. 592с.

40. Елисеев С.В., Нерубенко Г.П. Динамические гасители колебаний. Новосибирск: Наука, 1982. 137с.41.