автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка пневматической регулируемой подвески автобуса, оборудованного антиблокировочной системой тормозов

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

На правах рукописи

УДК 629.11.012.83

КЛЮШКИН Геннадий Геннадиевич РАЗРАБОТКА ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРУЕМОЙ ПОДВЕСКИ АВТОБУСА, ОБОРУДОВАННОГО АНТИБЛОКИРОВОЧНОЙ СИСТЕМОЙ

ТОРМОЗОВ

Специальность 05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины

Диссертация

на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук

профессор ПОЛУНГЯН А.А.

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНЕИЕ.................................................................................................. 4

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВЕСОК АВТОБУСОВ..................... 7

1.1. Обзор методов проектирования подвесок автотранспортных средств.................................................................................... 7

1.2. Проблемы создания оптимальной подвески автобуса....................... 20

1.3. Цель и задачи исследования................ ...... ............................. 32

2. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПОДВЕСОК АВТОБУСОВ.......................................................................................... 34

2.1. Алгоритм методики макропроектирования регулируемой подвески автобуса.................................................................................. 34

2.2. Математическая модель транспортного средства для прогнозирования параметров тормозной динамики и плавности хода 49

2.2.1. Допущения, принятые при создании математической модели...... 50

2.2.2. Расчётная схема и система уравнений........................................... 58

2.3. Стендовые испытания автобуса ГолАЗ 5225 для определения характеристик тормозного привода и приведённых коэффициентов крутильной жёсткости подвески.......................................................... 69

2.4. Проверка адекватности разработанной математической модели реальному процессу торможения и вертикальных колебаний......... 75

2.4.1. Описание объекта испытаний....................................................... 75

з Стр.

2.4.2. Сравнение опытных данных и результатов моделирования................79

2.4.3. Результаты анализа амплитудно-частотных характеристик подрессоренных масс............................................................................................................................................88

3. СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТОВ ОТ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПНЕВМОРЕССОР

С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОБЪЁМАМИ И АМОРТИЗАТОРОВ..................92

3.1. Оптимальные по тормозной динамике законы изменения характеристик пневморессор и амортизаторов автобуса ГолАЗ 5225 93

3.2. Расчёт параметров тормозной динамики..................................................................................98

4. РЕЗУЛЬТАТ ОПТИМИЗАЦИИ ПОДВЕСКИ АВТОБУСА ГОЛАЗ 5225 Ю1

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Классификация транспортных средств согласно

нормам 71/320/Е\ЛЛЗ....................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Затраты на элементы подвески и её системы

управления....................................................................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Допустимые значения виброускорений в

третьоктавных полосах частот....................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Новые разработки в области конструирования транспортных средств позволяют улучшить как технические, так и экономические показатели автомобилей. Рост конструктивной скорости, увеличение плотности транспортного потока, периодические стрессы водителей увеличили число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) в простейших ситуациях управления, как то: езда на дорогах с высоким коэффициентом сцепления, с равнинным ландшафтом, в светлое время суток.

Повышение активной безопасности транспортных средств (АТС) для перевозки пассажиров является одним из важнейших направлений современной конструкторской деятельности. Расширение возможностей и удешевление электронной и микропроцессорной техники привели к широкому внедрению средств управления в различные системы и агрегаты автомобиля с целью обеспечения наивысших эксплуатационных показателей тормозной динамики, устойчивости и управляемости. Одной из наиболее широко используемых активных систем безопасности является антиблокировочная система тормозов. По правилам ЕСЕ 13 автобусы класса МЗ обязаны серийно оснащаться АБС, а согласно немецким правилам §41 StVZO также и автобусы класса М2 (классификация транспортных средств по 71/320/EWG приведена в приложении 1). Обязательное оснащение автобусов класса МЗ системами АБС в России будет осуществляться с 1999 года. Уже сейчас проведена сертификация на соответствие поправке 08 правил 13 некоторых семейств автобусов ГолАЗ, ПАЗ, АМАЗ и др с системами АБС Bosch и Wabco. В то

же время для удовлетворения норм по вибронагруженности и правил по конструированию транспортных средств для перевозки пассажиров §35 в^го и ЕСЕ 6 в транспортных средствах классов М2 и МЗ необходимо использовать пневматические регулируемые подвески.

Дальнейшее улучшение показателей эргономики и безопасности автобусов возможно при регулировании упругих и демпфирующих элементов подвески. Развитие микропроцессорных средств регулирования автомобильных систем позволяет в настоящее время полнее использовать потенциальные возможности пневморессоры и амортизатора.

Опыт проектирования эффективной структуры и параметров регулирования показывает актуальность разработки методики проектирования эффективных пневматических регулируемых подвесок автобусов. Эта методика должна включать в себя анализ возможных схем подвесок, наблюдаемых и регулируемых системой управления параметров, а также законов управления.

Существующие математические модели транспортных средств не позволяют провести комплексное математическое моделирование с целью прогнозирования как параметров плавности хода, так и параметров тормозной динамики автобуса с учётом работы АБС. Регулирование пневморессор и амортизаторов влияет на тормозную динамику транспортного средства при экстренном торможении.

Таким образом, актуальной задачей является создание математической модели АТС и структурной схемы системы управления

для дальнейшего расчёта параметров плавности хода и тормозной динамики автобуса и оптимизации характеристик его амортизаторов и пневморессор .

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВЕСОК АВТОБУСОВ

Значительная часть пассажироперевозок как в нашей стране, так и за рубежом осуществляется автобусами. В России в 1997 году автобусный парк составил 650000 единиц. Возрастающий пассажиропоток может потребовать увеличения этого числа на 40-50% к 2000 году. Поэтапная замена рессорных подвесок автотранспортных средств для перевозки пассажиров на пневматические подвески привела к существенному улучшению защиты пассажиров от динамических воздействий, возникающих при движении автобуса по различным типам дорог, т.е. к улучшению плавности хода [16, 29]. Это обусловило, в то же время, рост средних скоростей движения на всех типах дорог. В условиях всё возрастающей плотности транспортного потока задача обеспечения подвеской автобуса не только высокой плавности хода, но и высокой безопасности движения выходит на передний план.

1.1. Обзор методов проектирования подвесок автотранспортных средств

Наиболее полно исследованы свойства и методы создания нерегулируемых подвесок [16, 23, 24, 29, 32, 41, 45, 83, 84, 89, 93, 102, 108], состоящих из пассивных упругих и демпфирующих элементов, обладающих линейными или нелинейными характеристиками. Большой вклад в развитие теории расчетов нерегулируемых систем

подрессоривания внесли: Агеев М.Д., Аксёнов П.В., Беленький Ю.Б., Бидерман В.Л., Бородин В.П., Верещака В.А., Галашин В.А., Горелик A.M.,

Густомясов А.Н., Дербаремдикер А.Д., Елисеев Б.М., Конев А.Д., Кузнецов Ю.И., Литвинов A.C., Морозов Б.И., Райхлин Р.И., Пархиловский И.Г., Певзнер Я.М., Платонов В.Ф., Прутчиков O.K., Ротенберг Р.В., Силаев A.A., Синев A.B., Устименко B.C., Фурунжиев Р.И., Хачатуров A.A., Яценко H.H. и др.

Под пассивными элементами обычно понимают элементы, которые не требуют для своего функционирования подвода энергии извне. Задача оптимизации подвески сводится в этом случае к выбору характеристик её элементов, минимизирующих обобщенный критерий, связывающий воедино характеристики подвески с эксплуатационно-техническими качествами транспортной машины. В большинстве работ в качестве критерия оптимизации принимается один из показателей плавности хода, как то: среднеквадратичные значения вертикальных координат, скоростей, ускорений и т.д. К примеру в работе Пархиловского И.Г. [62] за критерий оптимальности принимается минимум дисперсий вертикальных ускорений при ограничениях вероятностей пробоя подвески и отрыва колес от грунта. Недостатком данной работы является решение задачи только для одномассовой модели.

Основополагающей работой по анализу линейных систем подрессоривания является монография Ротенберга Р.В. [83]. В связи с тем, что динамические расчеты системы подрессоривания на основе линейной теории не могут в полной мере отражать колебательные свойства реальных транспортных машин и обеспечить необходимую точность определения параметров колебаний зачастую используются

нелинейные математические модели. Наиболее широко известные методы расчета подвесок, обладающих существенно нелинейными характеристиками, приведены в работах Певзнера Я.М., Елисеева Б.М., Пархиловского И.Г. и др. [33, 63, 65, 67].

В работе Густомясова А.Н. [29] применяется статистический метод исследования результатов расчёта дифференциальных уравнений, описывающих вертикальные колебания автомобиля. Автором предлагается проведение машинного эксперимента для нахождения параметров вибронагруженности автомобиля. Результаты расчётов на ЭВМ дифференциальных уравнений подвергаются статистическому анализу для нахождения: вероятности отрыва колёс от грунта, среднеквадратичных значений ускорений, скоростей и координат произвольных точек подрессоренной и неподрессоренных масс.

Анализ опубликованных работ показывает, что система подрессоривания на пассивных элементах имеет ограниченные возможности [16, 93] и что дальнейшее повышение скоростей движения автомобилей и улучшение плавности хода можно достичь путем регулирования характеристик подвески в зависимости от возмущающего воздействия. Дело в том, что подвеска с нерегулируемыми характеристиками является оптимальной "в общем" , но не является оптимальной для конкретного режима движения. В отличие от такой подвески подвеска с регулируемыми характеристиками может обеспечить оптимальные характеристики для большинства условий движения. Регулирование может быть осуществлено с помощью системы

управления, которая может включать механические, электрические и др. звенья. Структурная схема системы управления подвеской, типы её исполнительных элементов, законы управления и алгоритмы непосредственно влияют на эффективность применяемой регулируемой подвески. В связи с широким распространением электронных и микропроцессорных элементов в различных системах управления [18, 19, 55, 82, 92, 93, 100] появилась реальная возможность управлять подвеской автомобиля быстрее и точнее.

В работе Бородина В.П. [16] была предложена статически регулируемая пневматическая система подрессоривания. Автором было предложено ступенчатое регулирование статического объема газа в пневморессорах в зависимости от типа дороги и массы автомобиля, а также отмечена возможность регулирования пневмоподвески в зависимости от скорости движения автомобиля. В работе приводятся математические модели колебаний автомобиля с линейной и нелинейной подвесками и общая методика оптимизации параметров подвески. Автором предлагается проводить расчет в два этапа, определяя сначала оптимальные значения нерегулируемых параметров, а затем законы изменения регулируемых параметров системы подрессоривания. Предлагаемые подходы были проверены автором на опытных образцах грузовых автомобилей с пневматической подвеской.

В работе Соколова A.B. [93] проводится анализ и исследования двух систем управления - для статического и динамического регулирования и алгоритмы их функционирования.

Многие исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, показывают, что требуемые параметры плавности хода и устойчивости движения колесных машин могут быть получены путем применения активной подвески, которая изменяет свои характеристики постоянно в зависимости от условий движения и характеристик автомобиля. Однако активные подвески работают при значительном подводе энергии извне и не могут быть реализованы в серийных образцах из-за высокой себестоимости и больших затрат энергии. В качестве примера на рисунке 1.1 показана упрощённая схема активной пневмоподвески одного колеса.

В настоящее время в АТС широко используются гидропневматические, пневматические и гидравлические регулируемые подвески. Последние нашли распространение на сверхтяжёлых автомобилях, где требуется большая жёсткость упругого элемента, например на некоторых моделях карьерных самосвалов БелАЗ. Кроме этого существуют опытные образцы автомобилей с гидравлической подвеской и динамическим регулированием. В этом случае возможно точное отслеживание профиля дороги по сигналу прибора,

образмеривающего неконтактным методом микропрофиль перед автомобилем.

Гидропневматическая подвеска нашла широкое распространение на легковых автомобилях. Примером может служить первая серийная гидропневматическая подвеска автомобиля Ситроен ДС-19. В настоящее время регулируемые гидропневматические подвески применяются на легковых автомобилях фирм Citroen, Mitsubishi, Mercedes Benz [77].

На автобусах, грузовых автомобилях и прицепах классов М2, МЗ, N2, N3, 03, 04 широко применяются пневматические подвески [77], что обусловлено в первую очередь низкой массой, прогрессивной характеристикой, позволяющей существенно снизить вибронагруженность автомобиля по сравнению с листовой рессорой, просто организовать балансирные связи, а также значительно улучшить устойчивость и управляемость АТС. Наибольшее распространение в грузовых автомобилях, прицепах и автобусах получили пневморессоры с резинокордными оболочками (РКО) рукавного типа, имеющими больший ресурс и ход подвески по сравнению с РКО других типов при достаточной простоте технологии изготовления. За счёт подбора формы поршня можно изменять характеристику пневморессоры с целью минимизации вибронагруженности транспортного средства. На рисунках 1.2 и 1.3 приведены фотографии передней и задней пневматических подвесок автобуса ГолАЗ 5225 с механическим регулированием уровня пола. На фотографиях 1.2 -1.3 использованы следующие обозначения: 1 - РКО

рукавного типа, 2 - амортизатор, 3 - механический регулятор уровня пола, 4,5 - продольный и поперечный рычаги подвески.

Для реализации большего числа функций регулирования, как, к примеру, так называемой функции "книлинга" ( kneeling) на автобусах, а также для реализации управления уровнями пола по скорости и управления поддерживающим мостом на других транспортных средствах используется электронное регулирование пневмоподвески. На рисунках 1.4 и 1.5 представлены компоненты комплексной системы регулируемой пневмоподвески полуприцепа и его антиблокировочной системы тормозов. Идентичные агрегаты находят своё применение на автобусах и грузовых автомобилях. На фотографиях 1.4-1.5 использованы следующие обозначения: 1 - пневматическая рессора с РКО рукавного типа, 2 -амортизатор, 3 - электронный блок управления (БУ) антиблокировочной системы тормозов (АБС) и регулируемой пневматической подвески (РПП), 4 - модулятор давления АБС, 5 - клапанный блок регулирования подачи газа в пневморессоры системы РПП, 6 - датчик уровня кузова системы РПП.

Поскольку регулирование пневморессоры изменением массы газа не является достаточным для реализации многих функций управления (к примеру при регулировании по типу дорожного полотна ) то появились образцы транспортных средств с дополнительным соединяемым с пневморессорой объёмом, подключение которого уменьшало жёсткость рессоры. Однако увеличенная масса такой подвески, повышенный расход воздуха, большие затраты на создание быстродействующих клапанов и повышенные требования к компоновке не позволили массово внедрять такие конструкции на АТС.

Новые разработки в области регулирования амортизаторов для мотоциклов и легковых автомобилей привели к созданию целого ряда конструкций транспортных средств с управляемыми демпфирующими элементами. Такие модели как Honda CBR1100XX Super Blackbird, GL1500GoldWing, Ford Mondeo уже в настоящее время имеют регулируемые амортизаторы в качестве стандартного оснащения. Созданные принципы конструирования амортизаторов при