автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение плавности хода АТС путем выявления потенциальных виброзащитных свойств подвесок различной структуры

005003966

на правах рукописи

Ковалев Александр Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ПЛАВНОСТИ ХОДА АТС ПУТЕМ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОДВЕСОК РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Волгоград - 2011

005003966

Работа выполнена на кафедре «Автомобильные перевозки» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Рябов Игорь Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Николай Григорьевич;

кандидат технических наук Дьяков Алексей Сергеевич.

Ведущая организация Ф1ЪОУ В110 Саратовский

государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Защита состоится « 23 » декабря 2011г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект В.И. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «23» ноября 2011г.

Ученый секретарь

А/

диссертационного совета Ожогин В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Потенциальные свойства классической подвески автомобиля достаточно подробно изучены в литературе и реализованы на практике. Однако такая подвеска обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что высокочастотные колебания колес гасятся тем же амортизатором, которым гасятся низкочастотные колебания кузова. Это приводит к высокочастотному нагружению кузова автомобиля и ухудшению его плавности хода. Демпфирование в шине невелико, причем оно резко снижается при увеличении скорости автомобиля, поэтому можно считать, что колебания колес гасятся, практически, только амортизатором. В последнее время намеченная тенденция к снижению высоты профиля шины неизбежно ведет к повышению ее жесткости и усилению воздействия со стороны колеса на подвеску. Высокочастотный резонанс является преобладающим режимом работы подвески автомобиля, и именно он формирует вибрационные воздействия на кузов, которые передаются в меньшей степени через упругий элемент, так как амплитуда колебаний мала, и в большей степени через амортизатор, так как скорость колебаний большая. Повышение жесткости шин приводит к расширению зоны высокочастотного резонанса, повышению скорости высокочастотных колебаний колес и увеличению сил, передаваемых через амортизатор на кузов автомобиля.

Проведённый анализ недостатков классической подвески показывает, что их потенциальные возможности по улучшению виброзащитных свойств подвески АТС практически исчерпаны. Поэтому для преодоления указанных недостатков необходимо изыскание способов и средств повышения виброзащитных свойств подвески в высокочастотном спектре колебаний.

Цель работы - повышение плавности хода АТС путем выявления потенциальных виброзащитных свойств подвесок различной структуры.

Объекты исследований: подвески автомобиля различной структуры.

Научная новизна:

- предложен и обоснован новый подход к конструированию подвески АТС, заключающийся в использовании динамических гасителей с сухим трением;

- разработаны математические модели подвесок АТС различной структуры:

- одномассовой одноопорной двухступенчатой системы виброзащиты;

- линейной одномассовой колебательной системы с релаксационной подвеской с различным расположением дополнительного упругого элемента;

- линейной двухмассовой релаксационной подвески с различным расположением дополнительного упругого элемента;

- трехмассовой одноопорной колебательной системы;

- получены их решения для синусоидального и случайного профиля, которые позволяют выявлять потенциальные виброзащитные свойства;

- выявлены виброзащитные свойства подвесок АТС различной структуры и проведено их сравнение с виброзащитными свойствами подвески АТС классической структуры;

- выявлено влияние изменения жесткости шин в условиях эксплуатации на выбор параметров динамического гасителя колебаний колеса.

Методы исследования основаны на применении уравнений теоретической механики. Использовались аналитические методы решения систем дифференциальных уравнений второго, четвертого и шестого порядка, а также численный ме-

тод Рунге-Кутта. При экспериментальном исследовании использовался мето стендовых испытаний подвесок с динамическими гасителями колебаний на уни версальном вибростенде, аккредитованном для проведения испытаний подвесо АТС при ВолгГТУ.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки за дачи; обоснованностью используемых в математической модели уравнений принятых допущений; применением известных математических методов; исполь зование фундаментальных уравнений механики, а так же качественной и количе ственной сходимостью результатов теоретических и экспериментальнь исследований.

Практическую ценность работы представляют:

- разработана новая конструкция динамического гасителя колес, позволяющая снизить ускорения подрессоренной массы в области высокочастотного резонанса до 5-ти раз (патент на полезную модель № 97784 РФ, Динамический гаситель колебаний МПК Б 16 Б 7/09. 2010);

- разработаны прикладные программы для ЭВМ, которые обеспечивают возможность целенаправленного и рационального подбора конструктивных параметров подвесок АТС различной структуры;

- разработаны инженерные методики расчета параметров подвесок АТС различных структур.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих научно-технических конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2008-2010): XIV межвузовской конференции студентов и молодых учёных Волгограда и Волгоградской области 2009; международной научно-технической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2009», всероссийской научно-технической конференции «Проектирование колёсных машин», посвященной 100-летию начала подготовки инженеров по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25 — 26 дек. 2009 г.) А также: XV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе шесть, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов» рекомендованных ВАК и один патент на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Описание выявленных недостатков подвесок АТС известных структур.

2. Обоснование нового подхода к конструированию подвески АТС.

3. Разработанные математические модели подвесок АТС различных структур и их решения.

4. Результаты по выявлению виброзащитных свойств подвесок АТС различной структуры в сравнении с аналогичными свойствами подвески АТС классической структуры.

5. Результаты исследования по влиянию изменения жесткости шин в условиях эксплуатации на выбор параметров динамического гасителя колебаний колеса.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 151 наименование. Содержит 130 страниц машинописного текста, 37 рисунков, и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Подвески АТС различной структуры, их виброзащитные и их и методы исследования» на основе обзора литературы сформулированы следующие задачи исследования:

1. На основании анализа недостатков подвесок АТС известных структур обосновать новую концепцию подвески АТС и разработать соответствующие ей структурные схемы подвесок для различных АТС и их математические модели.

2. Разработать математические модели подвесок АТС существующих структур.

3. Разработать математические модели подвесок АТС с новой структурой. С помощью математического моделирования выявить потенциальные виброзащитные свойства подвесок предложенных структурных схем.

4. Провести теоретическое исследование виброзащитных свойств существующих и новых структур, выявить их потенциальные виброзащитные свойства.

5. Создать макетную модель подвески с динамическим гасителем колебаний колес и провести стендовые испытания опытных образцов подвески.

6. На основе полученных результатов, выработать рекомендации по применению предложенных конструкций подвесок новой структуры.

Во второй главе «Математическое моделирование подвесок АТС различной структуры» представлены расчетные схемы подвесок АТС различных структур, на основании которых составлены математические модели.

При моделировании подвесок различных типов использованы следующие допущения:

1. Профиль дороги под левым и правым бортами автомобиля одинаков, колебания кузова автомобиля над передней и задней осью независимы, поскольку коэффициент распределения масс близок к 1, и автомобиль можно рассматривать как двухмассовую одноопорную колебательную систему.

2. Упругая характеристика подвески аппроксимируется линейной зависимостью с разной величиной жесткости в гружёном и негружёном состояниях.

3. Демпфирующая характеристика подвески аппроксимируется линейной зависимостью с разной величиной сопротивления в гружёном и негружёном состояниях.

4. Сухое трение в подвеске учитывается увеличением коэффициента сопротивления демпфера рессоры.

5. При построении АЧХ кинематическое возмущение имеет синусоидальный вид.

В качестве первой исследуемой структурной схемы подвески была выбрана двухступенчатая подвеска АТС по патенту ХР1995 305105 30.10.1995, расчетная схема которой представлена на рис. 1. Двухступенчатая подвеска, еще известная как фрактальная двухуровневая подвеска, в настоящий момент, пока не применяется, поскольку является малоизученной. Была составлена ее математическая модель, а также найдено ее решение.

Уравнения динамики колебательной системы примут вид:

+/с,-(¿, -¿2)+с,-(г, -г2) = 0; Л ' (¿2 -¿¡)+с2-(22~д)-кг (¿, - ¿2 )-с, • (:

Рис. 1. Расчетная схема одиомассовой модели с двумя степенями свободы

т - подрессоренная масса, С1 и сг - жёсткость рессор, к\ и кг - коэффициенты сопротивления демпферов, 21 и 21 - перемещения подрессоренной массы и соединения верхнего и нижнего рычагов,

q - кинематическое возмущение со стороны профиля дороги

Результат частного решения системы уравнений при гармоническом возмущении {q = qйsm(¡)t) представлен в виде коэффициента усиления колебаний подрессоренной массы относительно профиля

Ъ. =

4(0^ +4% ■<аг +4% •а2 -со2} +4%-со

д/Ь + <\ Й. - ® 71-4 '©01 + 4 -®2| + (2)

+[(2Л,-0+2/^ ■«)-((й)021 -а2)2 +4Й,2 -©2)-2А, -2ю2 +4Й,2 -®2)|

Следующей исследуемой структурной схемой была выбрана релаксационная одноопорная одномассовая колебательная система (рис. 2).

-1 г> Рис. 2. Схема одиомассовой релаксационной

» виброзащитной системы:

т - подрессоренная масса;

с\ - жёсткость рессоры (основного упругого элемента); С2 - жёсткость дополнительного упругого элемента; л к -коэффициент демпфирования; { У q - кинематическое возмущение;

г - перемещение подрессоренной массы;

__| д у- перемещение точки соединения демпфирующего

* и упругого элементов

Колебания такой системы описываются системой дифференциальных урав-

нении:

тг + + с2 (г-у) = 0;

к(у-д)-с2(г-у) = 0;

(3)

Решение системы уравнений (3) в виде АЧХ подрессоренной массы т\ имеет вид:

А. -

ю0> *п+4И202(а)2О1+(о2т)г

Чо

<(< - а) + 4/г2о2К, + < - а2)2

(4)

Третьей исследуемой структурной схемой была выбрана двухмассовая од-ноопорная релаксационная колебательная система (рис. 3), которая соответствует большинству АТС.

"и....

1

Рис. 3. Схема двухмассовой релаксационной виброзащитной системы:

т\ктг — подрессоренные и неподрессоренные массы, Сь С2 и сд - жёсткость рессоры, шины и дополнительного упругого элемента,

к\ и /со - коэффициенты сопротивления рессоры и шины, 2] и 22 - перемещения подрессоренной и неподрессоренной масс,

q - кинематическое возмущение Для расчётной схемы уравнения динамики имеют следующий вид: т,г, + кх (г, - у) + с, (г, - г2) = О,

• т1гг+к1(2г2-4) + с2(хг-д)-ф,-г2)-са(у-г1) = 0, (5)

-к1(гх~у) + сл(у-г2) = 0.

Решение системы уравнений (5) в виде АЧХ подрессоренной массы т\ име-

ет вид:

к™ ~ 2Щ, - 2у/,г, + [2у/А + 2ц/хцстн + ?

(6)

9о [2^,2^ + г,2*2^ + с0П1 - 2^,2^ - 2y/ñ2Wlcm - -$c„ji ~ jcJt + + [Vil^ + + + 2^сП11 -- 2~ Mtáv - Mh'f ~~ 2^,укт„/" - l'Wfccm]

Решение системы уравнений (5) в виде АЧХ неподрессоренной массы тг имеет вид:

(2то2*/2у,2 -2^2ц/^-Ъу^ЪугЦе^-г?сат)2 + £го _ + (2гл + + 2ц/^с^ - 2ц/^ - 2ц/^с^ f (7)

q0 {2ц/^2ц/ггг^ -2ц/^2ц/г1г-2П2ц/г1гсат -

I + (2+ + 2 Wtm, + 2ц/^с^ - 2- 2 Wl2 -

i - 2(f2yi4™ - -Mtá- 2f

Четвертой исследуемой структурной схемой была выбрана трехмассовая одноопорная колебательная система, соответствующая подвеске с динамическим гасителем колебаний колеса (рис. 4). Такая схема определила концепцию раздельного гашения колебаний, заключающуюся в том, что высокочастотные колебания колес гасятся динамическим гасителем колебаний, низкочастотные колебания кузова гасятся штатным амортизатором, причем демпфирование в амортизаторе для автомобилей эксплуатирующихся на дорогах с твердым покрытием можно снизить в 2 - 2,5 раза.

П!|

Шз

<

Рис. 4. Схема трёхмассовой одноопорной колебательной л системы:

-1 я т\ и тъ - подрессоренные и неподрессоренные массы,

тг - масса гасителя, с\ и сз - жёсткость рессоры и шины, I С2 — жёсткость упругого элемента гасителя,

--123 к\ и кг - коэффициенты сопротивления рессоры и шины,

кг - коэффициент демпфирования гасителя,

21 и 2з - перемещения подрессоренной и неподрессоренной

масс,

гг - перемещение гасителя,

д - кинематическое возмущение со стороны профиля дороги

■Ч'

Также была составлена математическая модель системы и найдено её решение, на основании которого были построены АЧХ ускорений подрессоренной массы и АЧХ перемещений неподрессоренной массы.

В соответствии с расчётной схемой (рис. 4) уравнения динамики имеют следующий вид:

от, г, + (¿, -г3) + с,(г| -г3) = 0;

■ /и2г2 +к2(г2 -¿3) + с2(г2 -г3) = 0; (8)

т3И, + к3{г3-д) + с3(г3 -г3)-ф,-г3)-к2(г2 -¿3)-с2(г2 -г3) = 0.

Получены следующие решения системы уравнений (8) относительно перемещений указанных масс:

-для относительных перемещений подрессоренной массы тх (кузова):

г!£= (1-2уу, 2уу2 -2^г<г -»» +2уу,2у/,г3 +2у/2г2 +2у/3г, -2уу, ^ $ 2уу2 2у3Ь)

?о " г, «2 2Уз 'з -^аЬ 2Узгз +

-(2^1, Ч2 +2(г/212 ¡зг)(Л 'I -ЪУгН ~ъРг1г 'I «? М'з +

Ы +21/,' г '.ь' +2Гз'з '.''г М +^'2 '.Ч2 л]2 •

(9)

- для относительных перемещений подрессоренной массы /я2 (динамического гасителя):

[1 - 2ц/г «2-2^,1,2(е3 г, - 2у/,г3 - $ - £ - $ - ^ - ^ + + 2^ :2 + 2</Л 2(/3г, I? + 2^ь2(А + А) + ^М + ЙЛ + # ~ №]2+ + [2^,1,+ 2^,1, + 2^3«,-

- (2^ ¡з2 + 2(/а »,г)Сц + - 2|//,г, ^ - 2^«, г,2 - 2^ ^ - 2у/Л г,2 - 2(/,г, 2^ 2^ + + 2^ & + 2у/2гг # + 2рЛ № + 2^«, & А +

во

- для относительных перемещений подрессоренной массы от3 (колеса):

9»

(1 - 2^,1,2Щ12 - 2у^ 2у/3<3 - 2(1/3г, -- г? + 2«/,«,£ + 2у/]£, ^ + + + (2у/,г, + 2щЛ + 2уЛ - 2у/,г> - ^ - 2у/Л ^ - г? - г,1 + Ъу^

[' - 2(сл - - ЬрлЦ'А

- А " + 2^,', ь2 + 2 Щг 2рА I? + 2у/Л г22 + 2уЛ 2ц/Л + 2у/,г, +

+ № + & + + ~ Ж? + + 2^1, + 2^ - 2^1,2у/Л 2^ -

- 2^,«, Ь5 - 2^ £ " «I2" 2(СЛ I? -

- ^ - 2^1, /,2 - 2у/,г, - 2^.1, ^ - 2уу, ^ - ^ + + + 2у/3ь^ +2оу, + 2^^]'. (11)

Пятой исследуемой структурной схемой была выбрана трехмассовая одно-опорная колебательная система, соответствующая подвеске АТС с динамическим гасителем колебаний колес и инерционным элементом, установленного вместо штатного гидравлического амортизатора. Была составлена математическая модель данной подвески (рис. 5), и построены АЧХ ускорений подрессоренной массы (кузова) и перемещений неподрессоренной массы (колёс).

Рис. 5. Схема трехмассовой одноопорной —колебательной системы с инерционным элементом: т\ и тз - подрессоренные и неподрессоренные массы, тг - масса динамического гасителя, с\ и Сз - жёсткость рессоры и шины, ' сг - жёсткость динамического гасителя, кг и - коэффициенты демпфирования динамического гасителя и шины, г, ки - коэффициент сопротивления муфты инерционного амортизатора,

J- момент инерции маховика; г - радиус шестерни; г\ и гз - перемещения подрессоренной и неподрессоренной масс, 2г - перемещения динамического гасителя, q - кинематическое возмущение со стороны профиля дороги

В соответствии с расчётной схемой (рис. 5) уравнения динамики имеют следующий вид:

т,

от, г, + -

+с,(г, -г3) = 0;

г \ г

м2г2 + *2(г, - ¿з) + с2(г2 - г3) = 0;

(12)

т3 г3 + *3 (¿3 - + с3 (г3 - д) - ~ - 0) - (г, - г3) - к2 (г2 - ¿3) - с2 (г2 - г3) = 0;

Решение данной системы уравнений проводилось численным методом Рун-ге - Кутга.

В третьей главе «Методика экспериментального исследования подвесок АТС различной структуры» приведена схема модернизированного стенда с установленной на нем подвеской, содержащей динамический гаситель колебаний неподрессоренной массы. Также представлена методика проведения экспериментов.

Дня проведения экспериментов использовался стенд для исследования упру- ! гих элементов и одноопорных колебательных систем, созданный на кафедре автоматических установок ВолгГТУ. На рис. 6 изображена схема пневматической подвески с экспериментальным динамическим гасителем, установленной на стенде для проверки адекватности модели. На схеме обозначено: 1 - подрессоренная масса; 2 - динамометр; 3 - манометр; 4 - пкевморессора; 5 - грузы; б - рычаг; 7 - пружина; 8 - инерционная масса; 9 - рычаг; 10 - гидравлический амортизатор; 11 - рама; 12 - верхний ползун; 13 - пружина; 14 - центральный ползун; 15 - пружина; 16 - нижний ползун; 17 - винт верхнего и нижнего ползуна; 18 - винт центрального ползуна; 19 - цепная передача; 20 - вороток; 21 - демпфер сухого трения; 22 - гайка регулирования трения. Установка позволяет в процессе проведения эксперимента бесступенчато изменять частоту собственных колебаний динамического гасителя, а также уровень его демпфирования. Это дает возможность подобрать в процессе эксперимента оптимальную настройку динамического гасителя.

Рмс. 6. Схема пневматической подвески с экспериментальным динамическим гасителем с регулируемой частотой собственных колебаний

'

I В четвертой главе «Результаты теоретических и практических исследова-

ний подвесок АТС различной структуры» представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований подвесок представленных структур. По полученным результатам исследований сделаны выводы и даны рекомендации по использованию подвесок некоторых структур.

Выявление виброзащитных свойств линейной двухступенчатой подвески проводилось путем сравнения ее амплитудно-частотных характеристик, построенных при помощи уравнения (2) с соответствующими параметрами линейной одноступенчатой колебательной системы (рис. 7).

Полученные зависимости показывают, что при введении дополнительной ступени (фракции) наблюдается сглаживание пиковых значений амплитуд колебаний на графиках АЧХ в зоне резонанса, в свою очередь в зарезонансной зоне амплитуды колебаний возрастают (рис. 7).

ч Т|' л" 1/е 1/сг

ч л' ч"

1/с 1/сг

Рис, 7. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) подвесок: а) классической одномассовой одноступенчатой подвески; б) двухступенчатой одномассовой (фрактальной двухуровневой) подвески при у/ = 0,18 и со0 = 1,2 Гц; 1 - график перемещения подрессоренной массы; 2 - график скорости подрессоренной массы; 3 - график ускорения подрессоренной массы

На основании проведенного исследования двухступенчатой подвески можно сделать вывод, что она не дает существенного улучшения виброзащитных свойств по сравнению с традиционной подвеской. Поэтому её установка на автомобиле будет неоправданным усложнением его конструкции. При этом можно отметить, что двухступенчатая подвеска может оказаться полезной с точки зрения повышения устойчивости движения автомобиля, в связи с чем необходимо провести ее дополнительные исследования.

Амплитудно-частотные характеристики ускорений второй исследованной структуры - одномассовой релаксационной подвески при различных уровнях демпфирования и различных соотношениях жесткости представлены на рис. 8.

В результате стендовых экспериментальных исследований подтверждена адекватность математической модели подвески с динамическим гасителем колебаний.

Рис. 8.

200

0 1234 5 6789 СОЛ [ ускорений одномассовой релаксационной колебательной системы с различными отношениями жееткостен пружин

Из полученных графиков АЧХ была выявлена горизонтальная асимптота | ускорений в зарезонансной области. Наличие такой асимптоты объясняется блокированием демпфера на высоких частотах. Таким образом, установлено, что од- 1 номассовая релаксационная одноопорная колебательная система улучшает 1 виброзащитные свойства в зарезонансной области по сравнению с аналогичной подвеской классической структуры.

Результаты исследования третьей структуры - двухмассовой релаксационной виброзащитной системы в виде графиков АЧХ ускорений подрессоренной массы, построенные по уравнению (6) представлены на рис. 9.

Т)д/сг :

800

600

400

200

Рис. 9. АЧХ ускорений двухмассовой релаксационной колебательной системы с различными отношениями жесткостей пружин

Из графиков видно, что такая структура подвески не дает улучшения виброзащитных свойств. Однако, ее применение возможно на ТС с высокой собственной частотой неподрессоренной массы, как, например, гусеничные машины или подвижной состав железнодорожного транспорта. Изменяя соотношение жесткостей основного и дополнительного упругих элементов в сторону увеличения, можно добиться того, что АЧХ приближаются к АЧХ двухмассовой подвески классической структуры. Таким образом, по виброзащитным свойствам двухмае-совая релаксационная одноопорная колебательная система уступает подвеске

классической структуры.

Результаты исследования третьей структуры - трёхмассовой одноопорной колебательной системы, - построенные по уравнению (9), представлены в виде графиков АЧХ ускорений подрессоренной массы на рис. 10.

Из графиков видно, что подвеска АТС с динамическим гасителем колеса- ^ ний колес обеспечивает высокие виброзащитные свойства, поскольку обеспечивает максимальное снижением ускорений в области высокочастого резонанса до 5

Р Данная структурная схема была исследована на случайном профиле (рис. | 11). Из графиков видно, что подвеска АТС предложенной структуры (рис. 11 а, б) при движении на случайном профиле обеспечивает максимальное снижение среднеквадратических ускорений: при движении на ровном цементобетоне - 3 6% | (35км/ч); и на гладком булыжнике - 44,5 % (50 км/ч).

4 8 12 16 0)Тц

Рис. 10. АЧХ а) классической подвески АТС; 6) подвески с динамическим гасителем колебаний колес: 1 - график перемещения подрессоренной массы; 2 - график скорости подрессоренной массы; 3 - график ускорения подрессоренной массы

а) б)

Рис. 11. Среднеквадратические ускорения подрессоренной массы (кузова) при движении по: а) цементобетону; б) гладкому булыжнику; сплошная линия - ускорения подвески АТС классической структуры; пунктирная линия - ускорения подвески с динамическим гасителем колебаний

^Результаты исследования пятой структуры - трёхмассовой одноопорной колебательной системы с инерционным элементом - в виде графиков АЧХ ускорений подрессоренной массы, построенные по уравнению (12), представлены на рис. 12.

В результате анализа графиков выявлено, что предложенная структура подвески имеет высокие виброзащитные свойства по сравнению с подвеской АТС классической структуры и подвеской АТС по схеме (с динамическим гасителем и штатным гидравлическим амортизатором), т.к. снижает ускорения подрессоренной массы во всем диапазоне частот кинематического возмущения. Однако при этом АЧХ перемещений колеса несколько ухудшились.

Проведенные стендовые испытания пневматической подвески с динамическим гасителем колебаний неподрессоренной массы подтвердили адекватность разработанной математической модели.

а) б)

Рис. 12. Сравнительные графики АЧХ: а) ускорений подрессоренной массы; б) перемещений неподрессоренной массы подвески АТС сплошная линя - ускорения подвески АТС классической структуры; пунктирная линия - ускорения подвески с динамическим гасителем колебаний, штрихпункгирная линия - ускорения подвески с динамическим гасителем колебаний и инерционным элементом

Согласно цели работы и поставленным задачам обобщим полученные ре- 1

зультаты исследования.

1. В диссертационной работе решена новая научно-практическая задача, состоящая в разработке математических моделей и выявлении на их основе виброзащитных свойств подвесок АТС различной структуры.

2. С помощью математического моделирования выявлены потенциальные виброзащитные свойства фрактальной и релаксационной подвеской предложенных структурных схем. Фрактальная подвеска не дает существенного улучшения виброзащитных свойств по сравнению с традиционной подвеской. Релаксационная подвеска дает улучшение виброзащитных свойств по сравнению с классической подвеской только в узком диапазоне частот и ухудшение в остальных диапазонах частот.

3. На основании анализа недостатков подвесок АТС известных структур предложена новая концепция подвески АТС, состоящая в снижении демпфирования подрессоренной массы и использовании динамических гасителей колебаний с сухим трением.

4. С помощью математического моделирования выявлено, что наилучшую плавность хода обеспечивает подвеска АТС с динамическим гасителем колебаний. Установлено максимальное снижение ускорений в области высокочастотного резонанса до 5 раз, а при моделировании движения на случайном профиле установлено максимальное снижение среднеквадратических ускорений: при движении на битом булыжнике максимальное снижение 44,5 % (50 км/ч) и на ровном цементобетоне 36% (35км/ч).

5. Создана макетная модель подвески грузоподъемностью до 1,5 т с неподрессоренной массой 150 кг и экспериментальным динамическим гасителем колебаний колес массой 15 кг с сухим трением, и проведены стендовые испытания, которые подтвердили адекватность разработанной математической модели.

6. На основе полученных результатов выработаны следующие рекомендации по применению подвески с динамическим гасителем колебаний: динамический гаситель следует настраивать на более высокие (на 10 - 20%) частоты колебаний, чем расчетные; с учетом возможной перекачки шин масса динамического гасителя должна составлять не менее 10% от неподрессоренной массы.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

в изданиях, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов»

рекомендованных ВАК:

1. Рябов, И.М. Виброзащитные свойства двухступенчатой подвески / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев П Тракторы и сельхозмашины. - 2009. - N° 8 - С 23-26.

2. Рябов, И.М. Виброзащитные свойства двухступенчатой подвески автомобиля / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, A.M. Ковалев // Автомобильная промышленность -

2009.-№9.-С. 16-19.

3. Рябов, И.М. Потенциальные виброзащитные свойства подвески автомобиля с динамическим гасителем колебаний колёс / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 12. - С. 13-16.

4. Рябов, И.М. Теоретическое исследование виброзащитных свойств подвески с динамическим гасителем колёс при движении автомобиля по случайному профилю / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, A.M. Ковалев // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград,

2010.-№10.-С. 76-80.

5. Рябов, И.М. Виброзащитные свойства двухмассовой релаксационной линейной подвески 1 И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев // Тракторы и сельхозмашины.-2011.-№ 7. - С. 12-14.

6. Рябов, И.М. Выбор параметров динамического гасителя колебаний колеса с учётом изменения жёсткости шины в процессе эксплуатации / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев // Грузовик. - 2011. - № 3. - С. 2-5.

в прочих изданиях:

7. Рябов, И.М. Адаптация подвески к условиям движения АТС за счёт частотно саморегулируемого амортизатора и динамического гасителя колебаний / И.М. Рябов, А.М. Ковалев // Прогресс транспортных средств и систем - 2009: матер, междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 24-25.

8. Новый подход к конструированию подвески АТС / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев, Д.А. Голубев, В.В. Новиков // Россия периода реформ: формирование модели рыночно-ориентированной организации как элемент антикризисного управления ОАО "Газпром": матер. XIII междунар. отраслевой науч.-практ. конф. (г. Волгоград, 20-22 мая 2009 г.) / НОУ СПО "Волгогр. колледж газа и нефти" ОАО "Газпром" [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 195-202.

9. Рябов, И.М. Обоснование новой концепции подвески АТС / И.М. Рябов, А.М. Ковалев // Прогресс транспортных средств и систем - 2009: матер, междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 26-27.

10.П. м. 97784 РФ, МПК F 16 F 7/09. Динамический гаситель колебаний / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, A.M. Ковалев; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

11.Разработка и исследование нового алгоритма управления демпфированием в цикле колебаний подвески АТС / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев, A.B. Поздеев // Проектирование колёсных машин : матер, всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25-26 дек. 2009 г.) / ГОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". - М., 2010. - С. 100-108.

12.Снижение вибронагруженности АТС путём введения частотно-регулируемого амортизатора / А.М. Ковалев, А.Ю. Соколов, И.М. Рябов, К.В. Чернышов // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.): тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. -С. 72-73.

13.Повышение плавности хода и стабильности контакта колёс с дорогой АТС за счёт использования динамического гасителя колебаний колёс / А.М. Ковалев, И.М. Рябов, К.В. Чернышов, Т.В. Пылинская // XV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 9-12 ноября 2010 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 64-67.

Личный вклад автора в публикациях: В работах [1-13] автор принимал непосредственное участие в постановке задач, выполнении работ, проведении исследований и обсуждении полученных результатов.

Подписано в печать ¿3.//.2011 г.3аказ№ 507. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.

400005, г. Волгоград, проспект В.И. Ленина, 28.

61 12-5/879 Р

Министерство образования и науки Российской Федерации Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи Ковалев Александр Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ПЛАВНОСТИ ХОДА АТС ПУТЕМ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОДВЕСОК

РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Рябов И.М.

Волгоград - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................- 4

ГЛАВА 1. ПОДВЕСКИ АТС РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ, ИХ ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ............... 11

1.1. Классическая структура подвески АТС........................................... 11

1.1.1.Особенности подвески АТС классической структуры.......................... 11

13

1.1.2. Нерегулируемые подвески............................................................^

1.1.3. Подвески АТС со статическим регулированием.................................14

1.1.4. Гибридные подвески................................................................ ^

1.2. Анализ известных подвесок новой структуры....................................15

1.2.1. Подвеска АТС с инерционным амортизатором.................................15

1.2.2. Подвеска АТС с амортизатором, регулируемым по частоте колебаний .. 18

1.2.3. Подвески с динамическими гасителями колебаний.......................... 23

1.2.4. Двухступенчатая (фрактальная) подвеска АТС............................... 26

1.2.5. Обоснование необходимости создания новой концепции

27

подвески АТС................................................................................

1.3. Методы исследования подвесок АТС............................................. 30

30

1.3.1. Теоретические методы исследовании...........................................

1.3.2. Экспериментальные методы исследовании....................................

.. 37

1.4. Цель и задачи исследования....................................................

. ...........38

1.5. Выводы по главе 1........................................................

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДВЕСОК АТС

различной структуры..............................................................^

2.1. Математическое моделирование подвесок АТС известных структур...... 39

од

2.1.1. Математическая модель двухступенчатой подвески.........................^

2.1.2. Математическая модель одномассовой релаксационной подвески....... 43

2.1.3. Математическая модель двухмассовой релаксационной подвески........51

2.2. Математическое моделирование подвесок АТС новых структур.............. 59

2.2.1. Математическая модель трехмассовой колебательной системы с кинематическим возмущением........................................................... 59

2.2.2. Математическая модель линейной трехмассовой колебательной системы с инерционным амортизатором............................................................

2.3. Выводы по главе 2........................................................................78

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОДВЕСОК АТС РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ...................................... 79

3.1. Универсальный динамический стенд для испытания подвесок

79

различной структуры....................................................................... ,у

32. Динамический стенд с пневматической подвеской и экспериментальным

81

динамическим гасителем.................................................................. 01

3.3.Описание модернизированного стенда для испытаний подвески с экспериментальным динамическим гасителем....................................... 83

3.4. Методика испытания подвески с динамическим гасителем.................. 86

оо

3.5. Выводы по главе 3..................................................................... 00

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОДВЕСОК АТС РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ............ 89

4.1. Результаты теоретических исследований.........................................

4.1.1. Результаты теоретических исследований двухступенчатой подвески

автомобиля.................................................................................... ^

4.1.2. Результаты теоретических исследований релаксационной подвески автомобиля....................................................................................

4.1.3. Результаты теоретических исследований трехмассовой подвески

автомобиля.................................................................................... ^

4.2. Результаты экспериментальных исследований ................................... 104

4.3. Выводы по главе 4...................................................................... 105

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...........................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................... 126

ВВЕДЕНИЕ

Современная тенденция развития подвески автомобилей состоит в снижении ее жесткости путем широкого использования пневматической или гидропневматической подвесок, а так же повышении жесткости шин из-за уменьшения высоты их профиля и снижения массы колес. При этом собственная частота колебаний кузова АТС снизилась почти до 1 Гц, а собственная частота колебаний колес легковых автомобилей возросла до 12 - 14 Гц. В работе Р.В. Ро-тенберга [112] показано, что при снижении частоты собственных колебаний кузова ниже 1 Гц вероятность низкочастотного резонанса, при движении по дорогам с усовершенствованным покрытием, практически, равна нулю. Таким образом, амортизаторы «мягкой» подвески гасят не колебания кузова, а в основном, высокочастотные колебания колес, виброактивность которых, с повышением их собственной частоты возрастает, а вероятность их резонанса высока во всем эксплуатационном диапазоне скоростей движения автомобиля. При этом колеса имеют значительные перемещения и скорости, поэтому амортизаторы передают на кузов большие силы, что ухудшает плавность хода автомобиля и устойчивость его движения на больших скоростях [115].

Потенциальные свойства классической подвески автомобиля достаточно подробно исследованы в литературе, ее характеристики оптимизированы и реализованы на практике. В связи с этим можно сделать вывод о том что, дальнейшее использование традиционного подхода к конструированию подвески не приведет к повышению ее виброзащитных свойств. Для разработки нового подхода были выявлены недостатки классической подвески. Они заключаются в том, что высокочастотные колебания колес гасятся теми же амортизаторами, которыми гасятся низкочастотные колебания кузова. Это приводит к высокочастотному нагружению кузова автомобиля со стороны амортизатора и ухудшению его акустики и плавности хода. Вследствие того, что демпфирование в шине мало, причем оно резко снижается при увеличении скорости автомобиля, поэтому, колебания колес гасятся, практически, только амортизатором.

Поэтому для преодоления указанных недостатков необходимо изыскание способов и средств повышения виброзащитных свойств подвески в высокочастотном спектре колебаний [126].

Методы улучшения виброзащитных свойств подвесок автомобилей

Как правило, в качестве виброзащитных систем на автотранспортных средствах применяются простые пассивные подвески с гидравлическим демпфированием. Большое многообразие конструкций простых пассивных подвесок с гидродемпфированием обусловлено попыткой при очередном проектировании подвески избавиться от недостатков предыдущих. Однако, как показывает опыт, избавление от одних недостатков приводит к появлению других, особенно если в подвеске не используются принципиально новые конструктивные решения. Основным недостатком простых пассивных виброзащитных систем является противоречие между качеством виброзащиты в зарезонансной и резонансной областях частот возмущающего воздействия. Если сопротивление демпфера мало, то в области зарезонансных частот имеет место отличная виброзащита, но в области резонансных частот амплитуда вынужденных колебаний объекта виброзащиты значительно превышает амплитуду колебаний возмущающего основания. Увеличение сопротивления демпфера с целью снижения амплитуды колебаний объекта виброзащиты в области резонанса приводит к ухудшению виброзащитных свойств системы виброзащиты в зарезонансной области [73].

Одним из возможных путей решения этой проблемы является применение демпфирующих устройств с регулируемым сопротивлением в зависимости от спектра возмущающего воздействия. При низкочастотном спектре возмущения, соизмеримом с собственной частотой колебательной системы, сопротивление демпфера увеличивается. Если в спектре возмущения преобладают высокочастотные составляющие, то сопротивление демпфера уменьшается. Регулирование сопротивления демпфера может осуществляться различными способами: ручным переключением или дистанционным по гидромеханическим и элек-

трическим каналам. Для разработки регулируемого амортизатора необходимо проведение работ поискового характера, а наиболее перспективным направлением работы является создание автономного автоматически регулирующегося амортизатора, самонастраивающегося в зависимости от колебаний в подвеске.

Другим путём повышения плавности хода автотранспортных средств при различных спектрах возмущающего воздействия является применение активных подвесок [149]. Автомобиль должен иметь систему для определения статистических характеристик микропрофиля дороги и, в соответствии с ними, перестраивать алгоритм работы подвески. При этом подвеска должна иметь ряд регулируемых параметров, чтобы практически для любой дороги быть близкой к наилучшей. Однако предложение авторов вряд ли может быть использовано в ближайшем будущем на отечественных автомобилях, так как существенно усложняет подвеску автомобиля, превращая её по существу в систему автоматического регулирования, имеющую высокую стоимость и низкую надёжность.

Третьим направлением в защите от вибрации в общем, широкополосном спектре частот, является использование гибридных систем, состоящих из активной и пассивной виброзащитных систем, соединённых только последовательно, [131]. Однако гибридные системы виброзащиты обладают теми же недостатками, что и активные, поскольку последние составляют часть их конструкции. ,

Активные и гибридные виброзащитные системы в данной работе не рассматриваются.

Возможно ещё одно направление повышения плавности хода автотранспортных средств - путём управления параметрами подвески в цикле колебаний. Так, был разработан алгоритм управления нелинейной характеристикой амортизатора во времени, а также с использованием принципа максимума Л.С.Понтрягина для двухмассовой линейной колебательной системы найдены моменты переключения оптимального управляющего воздействия для достижения минимальных уровней ускорений подрессоренной массы. Однако даль-

нейшего развития и практической реализации эти теоретические разработки не получили.

Простые пассивные подвески имеют ещё один существенный недостаток: повышение сил сопротивления демпфера для обеспечения высокой плавности хода связано с рассеиванием значительной энергии и снижением топливной экономичности автотранспортных средств. Так, потери мощности в демпфирующих устройствах быстроходных гусеничных машин при некоторых режимах работы могут достигать величин, составляющих до 30% мощности двигателя, а в подвеске легковых автомобилей - до 15%.

В пневмогидравлических рессорах сильный нагрев рабочей жидкости приводит к тому, что одно из преимуществ пневмогидравлических рессор, а именно сочетание в одном элементе упругих и демпфирующих свойств, становится недостатком, поскольку от жидкости нагревается рабочий газ, а значит, изменяется упругая характеристика рессоры [74]. Поэтому задача уменьшения тепловыделения в демпфирующих устройствах пневмогидравлических рессор с целью стабилизации их эксплуатационных характеристик без ущерба для плавности хода также является весьма актуальной.

Уменьшить тепловыделение в амортизаторе можно путем гашения колебаний колес другими устройствами - динамическими гасителями, которые в отличие от амортизаторов не передают динамические нагрузки на кузов автомобиля.

При эксплуатации автотранспортных средств (АТС) его подвеска не только определяет плавность хода, но и оказывает значительное влияние на другие эксплуатационные свойства: скорость, устойчивость, управляемость, топливную экономичность. В настоящее время на современных АТС по-прежнему применяются классические двухмассовые подвески, состоящие из направляющих, упругих элементов и демпфера.

Цель работы: повышение плавности хода АТС путем выявления потенциальных виброзащитных свойств подвесок различной структуры.

Методы исследования: основаны на применении уравнений теоретической

механики. Использовались аналитические методы решения систем дифференциальных уравнений второго, четвертого и шестого порядка, а также численный метод Рунге-Кутта. При экспериментальном исследовании использовался метод стендовых испытаний подвесок с динамическими гасителями колебаний на универсальном вибростенде, аккредитованном для проведения испытаний подвесок АТС при ВолгГТУ.

Объекты исследований: подвески автомобиля различной структуры. Научная новизна:

- предложен и обоснован новый подход к конструированию подвески АТС, заключающийся в рациональном гашении низкочастотных и высокочастотных колебаний с использованием динамических гасителей;

-разработаны математические модели подвесок АТС различной структуры:

- одномассовой одноопорной двухступенчатой системы виброзащиты;

- линейной одномассовой колебательной системы с релаксационной подвеской с различным расположением дополнительного упругого элемента;

- линейной двухмассовой релаксационной подвески с различным расположением дополнительного упругого элемента;

- трехмассовой одноопорной колебательной системы;

- получены их решения для синусоидального и случайного профиля, которые позволяют выявлять потенциальные виброзащитные свойства;

- выявлены виброзащитные свойства подвесок АТС различной структуры и проведено их сравнение с виброзащитными свойствами подвески АТС классической структуры;

- выявлено влияние изменения жесткости шин в условиях эксплуатации на выбор параметров динамического гасителя колебаний колеса.

Практическая ценность:

- разработана новая конструкция динамического гасителя колес, позволяющая снизить ускорения подрессоренной массы в области высокочастотного резонанса

до 5-ти раз (патент на полезную модель № 97784 РФ, Динамический гаситель колебаний МГЖ Б 16 Б 7/09. 2010);

- разработаны прикладные программы для ЭВМ, которые обеспечивают возможность целенаправленного и рационального подбора конструктивных параметров подвесок АТС различной структуры;

- разработаны инженерные методики расчета параметров подвесок АТС различных структур.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих научно-технических конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2008-2010): XIV межвузовской конференции студентов и молодых учёных Волгограда и Волгоградской области 2009; международной научно-технической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2009», всероссийской научно-технической конференции «Проектирование колёсных машин», посвященной 100-летию начала подготовки инженеров по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25-26 дек. 2009 г.) А также: XV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе шесть, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов» рекомендованных ВАК и один патент на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 151 наименование, приложений. Работа содержит 130 страниц машинописного текста, включающего 5 таблиц и 37 рисунков.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Описание выявленных недостатков подвесок АТС известных структур;

2) Обоснование нового подхода к конструированию подвески АТС;

3) Разработанные математические модели подвесок АТС различных структур и их решения;

4) Результаты по выявлению виброзащитных свойства подвесок АТС различной структуры в сравнении с аналогичными свойствами подвески АТС классической структуры;

5) Результаты исследования по влиянию изменения жесткости шин в условиях эксплуатации на выбор параметров динамического гасителя колебаний колеса.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе изложено состояние проблемы развития существующих подвесок автомобиля. Представлены и рассмотрены виды подвесок различной структуры. Предложена новая концепция раздельного гашения колебаний. Сформулированы цель и задачи диссертации.

Во второй главе выполнены теоретические исследования виброзащитных свойств подвесок АТС различной структуры» представлены расчетные схемы подвесок АТС различных структур, на основании которых составлены математические модели.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию подвесок АТС различной структуры.

В четвертой главе приводятся результаты теоретических и практических исследований подвесок АТС различной структуры.

За поддер�