автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Улучшение устойчивости и управляемости автобуса большого класса за счет рационализации распределительного устройства гидравлического усилителя рулевого управления

эа л г

Г

На правах рукописи

ЦЫБУНОВ ЭДУАРД НИКОЛАЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ АВТОБУСА БОЛЬШОГО КЛАССА ЗА СЧЕТ РАЦИОНАЛИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2007

003052259

Работа выполнена на кафедре «Автомобили» МГТУ «МАМИ»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ кандидат технических наук, профессор

Селифонов Валерий Викторович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ доктор технических наук, профессор

Умняшкин Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, профессор Сальников Владимир Иванович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФГУП «НАМИ»

Защита диссертации состоится «>У» /Д/у/алу 2007 г. в /г на заседании диссертационного Совета Д212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 105839. г. Москва, ул. Б.Семеновская, 38. МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Автореферат разослан

« /V »

2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

/С.В.Бахмутов/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время на территории Российской Федерации действуют около 32 тысяч автобусных, междугородних маршрутов, общая протяженность которых составляет 2,2 млн. км. Автобусный парк обслуживает 1300 городов и поселков. Быстро стареющий морально и физически автобусный парк нуждается в выпуске комфортабельных и самое главное - безопасных автобусов.

Активная безопасность автомобиля - комплекс его свойств, снижающих возможность возникновения дорожно-транспортных происшествий. Активная безопасность автомобиля и, в частности, его управляемость и устойчивость рассматривается в современном автомобилестроении, как одно из стратегических направлений, определяющих комплекс важнейших эксплуатационных качеств автомобиля.

Как известно, на устойчивость и управляемость оказывает влияние множество конструктивных параметров автомобиля, таких, как упругие свойства шин, соотношение угловых жесткостей передней и задней подвесок, жесткость рамы или каркаса кузова, тип и характеристики рулевого управления и т.д. На устойчивость и управляемость автомобиля так же оказывает влияние и конструкция распределителя гидравлического усилителя рулевого управления. От него, глобальным образом зависит время запаздывания реакции управляемых колес после приложения возмущающего воздействия на рулевое колесо автомобиля. Рациональным выбором конструкции распределителя гидравлического усилителя рулевого управления на этапах проектирования и доводки можно добиваться существенного улучшения управляемости и устойчивости, а следовательно и активной безопасности автомобиля.

Цель работы - разработка методики рационализации рулевого управления автобуса большого класса, позволяющей на стадии проектирования закладывать в конструкцию автобуса необходимый уровень оценочных показателей устойчивости и управляемости с учетом влияния конструкции распределительного устройства усилителя руля.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные задачи:

1. Разработка математических моделей для теоретического исследования установившегося и неустановившегося движения автобуса.

2. Обоснование выбора режимов движения автобуса и критериев оценки устойчивости и управляемости.

3. Разработка математических моделей рулевых управлений для теоретического исследования влияния конструкции распределителя гидравлического усилителя рулевого управления на устойчивость и управляемость автобуса.

4. Проведение анализа полученных теоретических результатов, на основе которых приведены рекомендации по выбору рациональной по устойчивости и управляемости конструкции распределителя.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положены методы аналитической механики, численные методы математического анализа, теории математического моделирования. Практические исследования включали методы планирования и обработки результатов эксперимента.

Объект исследования - автобусы большого класса и гидравлические усилители рулевого управления грузовых автомобилей и автобусов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Разработаны математические модели рулевых управлений, в отличие от известных учитывающие влияние особенности конструкции привода управляемых колес и распределителей усилителя рулевого управления, что позволяет с достаточной точностью проводить их теоретическое исследование.

- Разработаны математические модели криволинейного движения автобуса большого класса, в отличие от известных, учитывающие различные схемы привода управляемых колес и типы распределителей усилителя рулевого управления, позволяющие оценить влияние выше упомянутых особенностей на устойчивость и управляемость автобуса при криволинейном движении.

- Предложена и разработана методика аналитического решения задач устойчивости и управляемости криволинейного движения автобуса большого класса с учетом особенностей конструкции рулевого управления, позволяющая дать обоснованные рекомендации при проектировании и доводки автобуса.

Практическая ценность. Разработана методика, предназначенная для решения задач рационального проектирования на стадиях разработки и доводки автомобильной техники по критериям управляемости и устойчивости в зависимости от предлагаемой конструкции распределителя усилителя руля. Методика включает ряд математических моделей и алгоритмов, реализованных в виде прикладного программного обеспечения, и может быть использована конструкторскими отделами научно - технических центров по проектированию автомобильной техники, как на стадии проектирования, так и при доводке существующих образцов. При этом могут быть решены задачи рационализации конструктивных параметров рулевого управления автобуса.

Выполнены расчеты, на основании которых сформулированы рекомендации по улучшению конструкции рулевого управления автобуса большого класса

Реализация работы. Разработанная расчетная методика параметров устойчивости и управляемости двухосного автобуса с учетом особенностей конструкции подвески и рулевого управления, а также созданный на ее основе пакет прикладных программ, переданы в опытную эксплуатацию в НТЦ ОАО "КАМАЗ" и используются при создании перспективных моделей автобусов.

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Автомобили» Московского государственного технического университета «МАМИ». Основные положения диссертации докладывались на научно-технических кон-

ференциях: «Наука и практика. Диалоги нового века» (Набережные Челны, 2003); «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2004); «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004); «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, 2004); «Проектирование и исследование технических систем» (Набережные Челны, 2004); «Социально экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация» (http://kampi.ru/sets - № 8, 2004); «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» (Тула, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов. Работа в целом содержит 168 страниц машинописного текста, 124 рисунков, 17 таблиц, список использованной литературы из 127 наименований и четырех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и сформулирована ее основная цель.

В первой главе выполнен анализ работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям управляемости и устойчивости автомобиля.

Основные научные труды, посвященные вопросам совершенствования управляемости и устойчивости автомобиля, а также отдельных его агрегатов и систем, созданы такими отечественными и зарубежными учеными как Антонов Д.А., Бахмутов C.B., Богомолов C.B., Брылев В.В, Гинцбург JUL, Давыдов А.Д., Добрин A.C., Иларионов В.А., Кару-нин О.И., Кушвид Р.П., Jlara В.Н., Литвинов A.C., Майборода О.В., Мирзоев Г.К., Никульни-ков Э.Н., Носенков М.А., Певзнер Я М., Пешкилев А.Г., Сальников В.И., Фалькевич Б.С., Фаробин Я.Е., Хачатуров A.A., Чудаков Е.А., Bergman W., Ellis J.R., Furukawa Y., Matsushita A., Milliken W.F., Mitschke M., Rompe K., Segel L., Weir D.H. и многие другие.

Оценивая общее состояние проблемы, можно сделать следующие выводы:

Управляемости и устойчивости автомобиля и влиянию на них различных конструктивных параметров посвящено много трудов. Однако влияние такого конструктивного фактора как конструкция распределительного узла гидравлического усилителя рулевого управления исследовано пока еще не достаточно. В рассмотренной литературе не проводилось исследование влияния различных типов распределителей гидравлического усилителя рулевого управления на управляемость и устойчивость автомобиля и нет конкретных рекомендаций по выбору его конструкции и параметров.

На основании сделанных выводов сформулированы основные цели диссертации: 1. разработка методики по исследованию устойчивости и управляемости автобуса большого класса с задним ведущим мостом при установившемся и неустановившемся криволинейных движениях. Разрабатываемая методика должна учитывать влияние типа распределителя усилителя руля на устойчивость и управляемость;

2. теоретическое исследование влияния конструкции распределителя гидравлического усилителя рулевого управления автобуса большого класса на устойчивость и управляемость при установившемся и неустановившемся криволинейных движениях;

3. Экспериментальное исследование характеристик гидравлических усилителей руля устанавливаемых на автобусах большого класса;

4. Экспериментальное исследование устойчивости и управляемости автобусов.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Выбор и обоснование математической модели для теоретического исследования установившегося и неустановившегося движения автобуса.

2. Выбор режима движения автобуса и критериев оценки устойчивости и управляемости.

3. Выбор и обоснование математических моделей рулевых управлений для теоретического исследования влияния конструкции распределителя гидравлического усилителя рулевого управления на устойчивость и управляемость автобуса.

4. Выполнение анализа полученных теоретических результатов, выдача необходимых рекомендаций по выбору оптимальных по устойчивости конструкции распределителя.

Во второй главе описана методика расчета параметров устойчивости и управляемости при установившемся и неустановившемся криволинейном движении автобуса большого класса с учетом особенностей конструкции распределительного устройства гидравлического усилителя рулевого управления. Разработаны математические модели рулевого управления с осевым и роторным распределителями усилителей руля.

Реальная траектория движения автомобиля всегда в той или иной степени является криволинейной, поэтому первым этапом создания математической модели является рассмотрение движения автомобиля по кругу. Круговое движение автомобиля можно рассматривать как установившееся с постоянным углом поворота колес при постоянстве внешних сил, действующих на автомобиль и достигаемое через промежуток времени, достаточно большой для того, чтобы все переходные процессы полностью закончились. Для описания установившегося криволинейного движения была выбрана плоская одномассовая модель. Так как переход к пространственной модели в основном связан с влиянием различных факторов на угол увода колес, боковые и вертикальные реакции, разворачивающий момент в плоскости дороги, то можно оставить «велосипедную» модель автомобиля, а боковые реакции рассматривать с помощью эквивалентных коэффициентов сопротивления уводу осей, предложенных профессором В.В. Селифоновым. При этом автором совместно с Р.Б. Бурашниковым получена зависимость (1) угла наклона плоскости колеса р от угла крена кузова и бокового ускорения автобуса учитывающая влияние неподрессоренных масс, позволяющая уточнить определение эквивалентных коэффициентов сопротивления уводу осей.

р = к'УоУ + Ц-у, (1)

где к'у - коэффициент наклона плоскости вращения колеса учитывающий влияние неподрессоренных масс, приходящихся на ось, с2/м; Ц, - коэффициент наклона плоскости вра-

щения колеса при крене кузова; ]у - боковое ускорение автомобиля, м/с2; у - угол крена кузова автомобиля, рад.

С учетом (1) кинематический увод колес передней и задней осей записываются выражениями (2) и (3) соответственно.

5К] = кр, ■ (к'Т| Чу + Ц, -у). (2)

5,с2 = кр2-(к'Г2-Зу + кг2-7). (3)

Для передней подвески к'т) и к,1 определяются из выражений:

к> = 2-°н1Тк . (4)

Т1 ■ свш • $

Ь - 2-С) . (5)

~ В21 -свш

С учетом двускатных шин для задней подвески:

к, = °н2Тк . (6)

у2 ' СВш • 8

* В 2 ' СВш

где Он1 и Сн2 - неподрессоренный вес автобуса, приходящийся на переднюю и заднюю оси соответственно, Н; В] и В2 - колея передних и задних колес соответственно, м; гк -радиус качения колеса, м; с"ш - вертикальная жесткость шины, Н/м; с, и с2 - угловая жесткость передней и задней подвески соответственно, Н-м/рад; кр] и кр2 - коэффициенты кинематического увода шины передней и задней осей.

При моделировании установившегося движения автобуса приняты следующие допущения:

- автобус движется по окружности постоянного радиуса с постоянной скоростью;

- кузов автобуса абсолютно жесткий;

- угловые перемещения передней и задней подвесок одинаковы;

- движение происходит по абсолютно ровной горизонтальной поверхности, не учитываются вертикальные перемещения масс и поворот их вокруг поперечных осей;

- поскольку при установившемся движении автобуса управляемые колеса остаются в заданном положении, следовательно, динамика рулевого управления не принимается во внимание;

- коэффициенты сцепления колес с дорогой в прямом и боковом направлении одинаковы: фх=фу=ф.

Учитываются:

- крен кузова;

- характеристики подвески и шин.

В качестве критериев оценки устойчивости и управляемости установившегося движения автобуса по кривой постоянного радиуса приняты: коэффициент недостаточной поворачиваемое™ (кндп); коэффициент запаса по управляемости (кзу); статическая чувствительность к управляемости (\у); коэффициент сопротивления боковой нагрузке, приходящейся на переднюю ось (ку1); коэффициент сопротивления боковой нагрузке, приходящейся на заднюю ось (ку2); коэффициент запаса сопротивления заносу задней оси (ку).

Общие качества управления автобусом в большей мере зависят от переходного режима, то есть от состояния между приложением входного сигнала на управление поворотом и достижением автобусом установившегося движения. Математическая модель неустановившегося движения автомобиля описана системой уравнений (8) в работах Эллис Д.Р. иВонгаД.

Дифференциальные уравнения неустановившегося криволинейного движения автомобиля системы (8) содержат входную переменную - средний угол поворота управляемых колес 9(1).

Ма• (уу+ш-Ух)= кэкв1 уГС'Ь1]+кэкв2•[т'Ьу"Уу]

1г.т=кэкв1 ь,-1е(0- у ^ 1-кзкв2-Ь2-1 * У1

где Ма - масса автобуса, кг; 1г - момент инерции автобуса относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс, кг • м2; кЭ1С0, и кЭКв2 - эквивалентные коэффициенты сопротивления уводу передней и задней осей, Н/рад.

Математическая модель рулевого управления, гидравлический усилитель, имеющий раздельную компоновку его основных элементов, представлена в работах Гинцбурга Л.Л.; Чайковского И.П., Сапоматина П.А. и Метлюка Н.Ф., Автушко В.П. Математические модели рулевого управления с усилителем руля, основные элементы которого сосредоточены в одном корпусе, составлены при следующих допущениях

• давление источника мощности - величина постоянная;

• влияние волновых процессов на динамику привода не учитывается;

• объем рабочей жидкости сосредоточен в рабочих полостях силового цилиндра;

• не учитываются коэффициенты податливости элементов гидравлической цепи;

• температура и вязкость жидкости, а также количество нерастворенного воздуха не изменяются в течение переходного процесса;

• коэффициент расхода управляемых дросселей распределителя гидроусилителя является постоянной величиной;

• не учитывается податливость крепления цилиндра к раме;

• не учитываются гидродинамические силы, инерционные силы и силы трения, действующие на золотник, так как они малы по сравнению с действующими силами давления;

• усилие предварительного сжатия центрирующих пружин осевого распределителя не учитывается вследствие малой их величины по сравнению с действующими на золотник силами.

Динамика рулевого управления с осевым распределителем усилителя руля и промежуточным маятником 7 (рисунок 1) в приводе от сошки 6 до поперечного рычага 9 поворотного кулака описывается системой уравнений (9). Силы и моменты, действующие в рулевом управлении, изображены на рисунке 1.

V Ма

------

Рисунок 1 - Динамическая схема рулевого управления с осевым распределителем гидравлического усилителя 1 - рулевое колесо; 2 - входной вал гидроусилителя; 3 - винт; 4 - реактивный плунжер; 5 - поршень - рейка; 6 - сошка; 7 - маятник; 8 - продольная тяга; 9 - поперечный рычаг поворотного кулака.

. Ь-арлс

^'р-збГ-2

6 = кдх-х3-крр-р

Л Бп

шп-

,£2

ёг ( Ьс Т+кВ —+ СПР- 'кщ -0ср-11к

Гс

1к-

<г0,

ср

¿0,

ср

Л

,

+ Ртр5Вп—= (ргр2)-8п

Ьс "Ьм гс'Ьт

бср'Ьк

где Хз - относительное смещение золотника, м; ¡р - передаточное число углового редуктора; Ь - шаг винта, м; а р к - угол поворота рулевого колеса, рад; 0ср- средний угол поворота управляемых колес, рад; С! - расход рабочей жидкости через реальный четырехщеле-вой золотниковый распределитель, м3/с; крх - коэффициент крутизны расходной характеристики, м3/(с-м); крр - коэффициент крутизны перепадной характеристики, м3/(с-МПа); х, - относительное смещение золотника, м; р - перепад давления на поршне, МПа; шп -масса поршня, кг; ъ - перемещение поршня, м; к0 - коэффициент вязкого трения о стенки цилиндра, кг/с; с„р - приведенная к поршню жесткость элементов привода управляемых колес, Н/м; Ьс - радиус сошки, м; гс - радиус начальной окружности сектора, м; 0ср - угол поворота управляемого колеса, рад; Ьк - радиус поворотного рычага, м; кш - передаточное число маятника, м; Ртр - сила сухого трения приложенная к поршню, Н; Р1 и р2 - давление рабочей жидкости в правой и левой полостях гидроцилиндра, МПа; 8П -площадь поршня, м3; 1К - момент инерции управляемых колес и жестко соединенных с ним деталей, приведенный к оси шкворня, кг-м2; ктр - коэффициент скоростного сопротивления в рулевом приводе, гидросистеме и шинах, кг-м/с; ск - приведенная жесткость управляемых колес, включающая коэффициент стабилизирующего момента, возникающего вследствие наклонов шкворней, коэффициент момента сопротивления поворота управляемых колес при движении, Н-м/рад.

. Ь„ , (10)

кт - — Пт

где Ьт - короткое плечо маятника, м; Ьм - полное плечо маятника, м.

Для варианта рулевого управления с прямой передачей усилия от сошки к поперечному рычагу поворотного кулака, кш = 1.

Таким образом, подставляя в систему уравнений (8) уравнения из системы (9) получим систему уравнений (11), которая представляет собой математическую модель движения автобуса с учетом осевого распределителя усилителя руля и различными вариантами привода управляемых колес.

<*р К.-Срк'1

Ь-арк

Хз='р-"ЗбГ"2

£? = к(3х-хз-кдр Р

<Ь=0_ «11 Бп

(РгРгИ

А2

(12еср Спр'Ьк

, & Г ьс

п-кв-^-Спр-^.—

•кщ "вср'Ьк

йг

-Ртр58п^Г

Л

(11)

тп

¿9:

ср

2 ~ кщ -Оср'Ьк |~ктр — сК"Эср

А' (1У„

^ экв!

м

— \

Ло кэквГ^[ Л ~

ср"

^экв2

" М9

-а>Ух

I,

бср"

'ш-Ь2-У у

и

Силы и моменты, действующие в рулевом управлении с роторным распределителем усилителя руля, показаны на рисунке 2.

Мв

Л

Рисунок 2 - Динамическая схема рулевого управления с радиальным распределителем гидравлического усилителя: 1 - рулевое колесо; 2 - входной вал гидроусилителя; 3 - распределитель; 4 - винт; 5-поршень - рейка; 6 - сошка; 7 - маятник; 8 - продольная тяга; 9 - поперечный рычаг

поворотного кулака.

Математическая модель, соответствующая рисунку 2 выражена системой уравнений (12). Обозначения системы дифференциальных уравнений (12) соответствуют обозначениям системы (9).

я йр ( г-36(Л е = к0хх3-к0рР Л'вп

(12)

й^г Лг. ( Ьг I ¿г

"'""¡¿2+кв"5Г+СпР'Г"^"кт -еср Ьк1+Ртр^^ = (Р1-Р2) 8п

сре,

Ср

+ кт

¿е

ср

¿(2 ' КтР +ск'еср-Спр'Ьк — кт "«ср"

Ьс

кщ -бср'Ьк

где dp - диаметр распределителя, м.

Подставляя в систему уравнений (8) уравнения из системы (12) получим систему уравнений (13), которая представляют собой математическую модель движения автобуса с учетом роторного распределителя усилителя руля и различными вариантами привода управляемых колес.

л-¿г

хз = "

( г-360

360 Гн Ь б = кдхх3-кор-р

5Ё = Л Л Бп

dz

(Р1~Р2)'8п-кв-^—спр-

Ьс I

-0ср-ЬК

dt

(13)

тп

dze

ср

Спр'Ьк '

-кт -6

. гс

ср

ЬК -к

de

ср

Ск'вср

ёУУ _ кэкв1 , „

Л ~ М- 19сР

dco кЭКВ1 -Ь}

Уу+ш-ЬП

dt

и

вер

Уу+ю-Ь,'

1к

кэка2

Ма 1 * X

кэкв2 1-2

I г ч

-и-У,

1г \ ух

В качестве критериев оценки устойчивости и управляемости неустановившегося движения автобуса приняты: характеристика заброса угловой скорости автомобиля над установившимся значением - До; время 90%-ной реакции автомобиля при входе в поворот;

угол дополнительного поворота рулевого колеса (доворот) по сравнению с нейтральной поворачиваемостью - Да,, к; время выхода на установившийся поворот - tyCT; пиковое время реакции - t„„K; предельная скорость выполнения маневра - Vnp.

При теоретическом исследовании криволинейного движения автобусов большого класса составлены алгоритмы решения дифференциальных уравнений математических моделей. Составлены алгоритмы решения систем уравнений (11) и (12) для автобуса НЕ-ФАЗ 52991 с промежуточным маятником и для автобуса НЕФ A3 5299-02 с прямой передачей усилия от сошки к поперечному рычагу поворотного кулака. Реализация алгоритмов осуществлялась в программной среде «Mathcad 2001 Professional». Программы составлены согласно ОСТ 37.001.471 - 89 «Управляемость и устойчивость автотранспортных средств» для следующих режимов испытаний: «Поворот Rn=35 м»; «Усилие на рулевом колесе»; «Рывок руля»; «Переставка S„=20 м». Причем для исследования неустановившегося криволинейного движения разработана программа «Вход в поворот R„=35 м». Результаты проведенных расчетов представлены ниже на графиках (рисунок 3 - рисунок 8 ).

Цдорад 0.05 ? 0,045 | _ 0.04 р 0 0,035

S I о.оз

1 §0,025 £ 5 0.02

| S0-015 J.B 0,01

0,005

2 0

1 1 R-35 м

—кнда -♦-Отрьв внутренних колес задней осн Отрьв задних внутренних колее

/

Г

-|НЕФАЗ 5299-021-

■ЧцчРМ

0,045

в о 0.04-

Я" р -0,035 ■

Is § 0,03 •

о « 10,025 •

Ь | 0,02 ■

§•0,015 •

5 S | 0,01 •

-в- 0,005 •

0

—кнл.п.

—Отрыв задних внутренних ' rcwec прн расчетах Отрыв задних внутренних с при экспсрткнте

0 10 20 30 40 50 6( скорость автобуса V, км/ч Рисунок 3 - Характеристика поворачиваемости при установившемся движении по кривой постоянного радиуса автобуса НЕФАЗ 5299-02

0 10 20 30 40 50 скорость автобуса V, км/ч Рисунок 4 - Характеристика поворачиваемости при установившемся движении по кривой постоянного радиуса автобуса НЕФАЗ 52991

К,

0,005 • 0 -

^ Отрыв задних внутроинх колес

при эксперименте —Отрыв внутренних колес задней

I I

0,035

g g 0,025

fc S 0,02 5 S

I £ 0,015 0,01 0,005 0

1

|НЕФА.

R=35M

_Ьу Отрыв задних внутренних колес при расчетах -»- Отрьш задних внутрвднкг

колес при эктерныете

1 , 1_________1...

50

60

0 10 20 30 40

скорость автобуса V, км/ч Рисунок 5 - Характеристика запаса по управляемости при установившемся движении по кривой постоянного радиуса автобуса НЕФАЗ 5299-02

О 10 20 30 40 50 60 скорость автобуса У,км/ч Рисунок 6 - Характеристика запаса по управляемости при установившемся движении по кривой постоянного радиуса автобуса НЕФАЗ 52991

Выводы. При движении автобусов по радиусу 35 м с увеличением скорости выполнения маневра возрастают: коэффициент недостаточной поворачиваемости (рисунок 3 и рисунок 4); коэффициент запаса по управляемости (рисунок 5 и рисунок 6).

Рисунок 7 - Характеристика чувствительности к Рисунок 8 - Характеристика чувствительности к

управляемости при установившемся движении по управляемости при установившемся движении по

кривой постоянного радиуса автобуса НЕФАЗ 5299-02 кривой постоянного радиуса автобуса НЕФАЗ 52991

А статическая чувствительность к управляемости падает (рисунок 7 и рисунок 8). Следовательно, в любых условиях автобусы обладают недостаточной поворачиваемостью. При скорости движения автобуса НЕФАЗ 52991 Укр=56,9 км/ч и НЕФАЗ 5299-02 - 7^=54,8 км/ч первыми отрываются от опорной поверхности внутренние сдвоенные колеса задней оси. С увеличением скорости выполнения маневра при движении по заданному радиусу автобусы не движутся с характерной скоростью. Теоретические значения критериев устойчивости и управляемости при установившемся движении автобусов по радиусу 11=35 м сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Значения критериев устойчивости и управляемости при установившемся дви-

жении

Марка автобуса кндп,град кз у и*, с"1 Дар,, град Укр, км/ч

НЕФАЗ 5299 - 02 0,046 0,03 7,9 29 54,8

НЕФАЗ 52991 0,043 0,03 8 30 56,9

При выходе автобуса на установившийся поворот переходный процесс не является колебательным независимо от типа распределителя и передаточного числа рулевого механизма. При увеличении времени срабатывания распределителя и передаточного числа механизма растет заброс значений угловой скорости автобуса над установившимся значением. Уменьшение времени срабатывания распределителя, и увеличение передаточного числа механизма приводит к уменьшению угла доворота рулевого колеса по сравнению с нейтральной поворачиваемостью, незначительному уменьшению времени пиковой реакции, незначительному увеличению времени 90%-ной реакции автомобиля. Значения критериев устойчивости и управляемости при теоретическом исследовании «Рывка руля» представлены в таблице 2. Нарастание давления рабочей жидкости в силовом цилиндре усилителя с роторным распределителем проходит быстрее, чем усилителя, скомпонованного осевым распределителем при одинаковых условиях. Результаты теоретического исследования «Переставка 8=20 м» показывают, что увеличение времени срабатывания распределителя и передаточного числа приводит к увеличению угловой скорости поворота

рулевого колеса. Так, автобус НЕФ АЗ 5299-02 с усилителем 4310 - 3400020 и сорк=400 град/сек не вписывается в коридор. Применение роторного распределителя в гидравлических усилителях рулевого управления повышает комфортность работы водителя и безопасность движения автобуса, поскольку точнее и быстрее отслеживает изменение нагрузки на поршне силового цилиндра.

Таблица 2 - Значения критериев устойчивости и управляемости при теоретическом исследовании «Рывка руля»

Усилитель руля Орк. град Дю, % сек ДОрю град tyCT5 сек ^ПИК 7 сек V vnp> км/ч

НЕФАЗ 5299 - 02

RBL - 500 180 5,3 2,54 110 3,2 1,03 60

4310-3400020 228 4,5 2,68 152 3,32 1,08 60

НЕФАЗ 52991

РРТ - 5045 180 3,9 2,43 96 2,95 1,05 60

4310-3400020 178 4,5 2,4 100 2,9 1,05 60

В третьей главе выполнено экспериментальное исследование по проверке адекватности математических моделей автобуса. Проведены стендовые испытания гидравлических усилителей руля и дорожные испытания автобусов большого класса НЕФАЗ 52991 и НЕФАЗ 5299-02. В рамках ОСТ 37.001.471 - 89 «Управляемость и устойчивость автотранспортных средств» были проведены следующие испытания: «Поворот Rn=35 м»; «Усилие на рулевом колесе»; «Переставка Sn=20 м».

Испытания рулевых механизмов с гидравлическим усилителем грузовых автомобилей и автобусов проводились в стендовых и дорожных условиях НТЦ ОАО «КАМАЗ». Для измерения и регистрации необходимых параметров, применялись: датчик давления Р11/200 (НВМ); усилитель DPN - IN (KYOWA); аналоге - цифровой преобразователь ADC - 150A (KYOWA); магнитограф RTP - 670А (KYOWA); измерительный руль разработки НТЦ ОАО «КАМАЗ».

Испытания автобуса НЕФАЗ 52991 проводились на полигоне НИЦИАМТ города Дмитров - 7. Для замеров скоростей выполнения маневра использовались фотостворы Ф -5080. Параметры автобуса НЕФАЗ 5299-02 исследовались в дорожных условиях НТЦ ОАО «КАМАЗ», при этом замеры и регистрация данных применялись: датчик давления Р11/200; усилитель DPN - 1N; аналога - цифровой преобразователь ADC - 150А; магнитограф RTP - 670А; спидометр LC-660S; измерительный руль разработки НТЦ ОАО «КАМАЗ».

Погрешность максимального давления (испытание «Усилие на рулевом колесе» при скорости движения по радиусу 12 м со скоростью 10 км/ч) при максимальном угле поворота рулевого колеса (рисунок 9) составляет 7 %, а по величине радиуса движения автобуса-3,8%.

Результаты предельных скоростей выполнения маневра, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях представлены в таблице 3.

р, МПа

9 6

1 5

1 3

О.

О

I о а

-1

О 200 400 600 800

угол поворота рулевого колеса, а * Рисунок 9 - Изменение давления на поршне силового цилиндра усилителя ИВЬ - 500 автобуса НЕФАЗ 5299-02 Таблица 3 - Адекватность математических моделей описывающих динамику криволиней-

ного движения автобуса

Наименование Теоретическое значение Укт км/ч Экспериментальное значение Уко, км/ч Погрешность, %

НЕФАЗ 52991

«Поворот 11=35 м» «Вход в поворот 11=35 м» 56,7 51,5 9,17

Окружность 11=35 м 56,9 9,49

«Переставка = 20 м» 64,8 58 10,49

НЕФАЗ 5299-02

«Поворот 11=35 м» «Вход в поворот 11=35 м» 54,1 53,2 1,7

Окружность 11=35 м 54,8 2,9

«Переставка = 20 м» 62,6 61,2 2,24

Выводы. Согласно РД 37.001.005-86 для автобусов исследуемых в работе предельная по устойчивости скорость выполнения маневра при испытании «поворот 11=35 м»

составляет 51 км/ч, при испытании «Переставка 8„=20 м» - 58 км/ч. Результаты предельных по устойчивости скоростей выполнения маневра, полученные экспериментально показывают преимущества гидроусилитей руля РРТ-5045 установленного на автобусе НЕФАЗ 52991 и 1ШЬ-500 автобуса НЕФАЗ 5299-02. Проведенные во второй главе диссертационной работы расчеты показали, что установка отечественного усилителя руля 4310 — 3400020 с осевым распределителем на исследуемых автобусах приведет к снижению их эксплуатационных качеств. Разрабатываемый НТЦ ОАО «КАМАЗ» гидравлический усилитель руля 6520 - 3400020 с роторным распределителем подходит по осевой нагрузке к установке на рассматриваемые автобусы. Установка данного усилителя снизит себестоимость производства автобусов, но неизвестно как изменятся параметры их устойчивости и управляемости. Вследствие этого необходимо теоретически проверить целесообразность установки усилителя 6520 - 3400020 на автобусы НЕФАЗ 52991 и НЕФАЗ 5299-02 по критериям устойчивости и управляемости.

В четвертой главе проведен расчет криволинейного движения автобусов большого класса с усилителем руля 6520 - 3400020.

Параметры, полученные расчетным путем для движения автобусов при испытании «Рывок руля» представлены в таблице 4, на рисунке 10 и рисунке 11.

Таблица 4 - Оценочные параметры устойчивости и управляемости при «Рывке руля»

Рисунок 10 - Характеристика угловой скорости Рисунок 11 - Характеристика угловой скорости

автобуса НЕФ A3 5299 - 02 с усилителем 6520 - 3400020 автобуса НЕФ A3 52991 с усилителем 6520 - 3400020 Теоретически полученные данные для испытаний «Переставка S„ = 20 м» и

«Вход в поворот Лп = 35 м» сведены в таблицу 5. Таблица 5 - Оценочные параметры устойчивости и управляемости автобуса при «Переставке Б = 20 м» и «Входе в поворот»

Маневр Предельная скорость выполнения маневра Vm, км/ч

НЕФ A3 5299 - 02

«Переставке S = 20 м» 62,5

«Вход в поворот» 54,1

НЕФАЗ 52991

«Переставке S = 20 м» 64,8

«Вход в поворот» 56,8

Выводы. Результаты теоретических исследований динамики криволинейного движения автобусов с гидроусилителем 6520 - 3400020 показали, что значения оценочных критериев устойчивости и управляемости неустановившегося движения удовлетворяют нормативным требованиям, следовательно, можно рекомендовать устанавливать на отечественных двухосных автобусах большого класса гидравлические усилители рулевого управления 6520 - 3400020 взамен более дорогих импортных усилителей руля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны математические модели рулевых управлений в отличие от известных учитывающие влияние особенности конструкции привода управляемых колес и распределителей усилителя рулевого управления, что позволяет с достаточной точностью проводить их теоретическое исследование.

2. Разработаны математические модели криволинейного движения автобуса большого класса в отличие от известных учитывающие различные схемы привода управляемых колес и типы распределителей усилителя рулевого управления, позволяющие оценить влияние выше упомянутых особенностей на его устойчивость и управляемость при движении.

3. Предложена и разработана методика аналитического решения задач устойчивости и управляемости криволинейного движения автобуса большого класса с учетом особенностей конструкции рулевого управления, позволяющая дать обоснованные рекомендации при проектировании и доводки автобуса.

4. Математические модели рулевого управления с гидравлическим усилителем, учитывающие его инерционные, жесткостные и демпфирующие характеристики, а также внутренние потери давления рабочей жидкости в распределителе позволяют с достаточной точностью исследовать влияние типа распределителя гидроусилителя рулевого управления на управляемость автобуса при установившемся и неустановившемся криволинейном движении.

5. Выбранное математическое описание расчетных моделей автобуса с тремя степенями свободы, в которых все пространственные факторы учитываются эквивалентными коэффициентами сопротивления уводу шин, достаточно достоверно описывают параметры его криволинейного движения.

6. Разработана методика рационального проектирования гидравлического усилителя руля на стадиях разработки и доводки автомобильной техники по критериям управляемости и устойчивости.

7. Применение в гидравлическом усилителе рулевого управления осевого распределителя изменяет относительный заброс угловой скорости автобуса на 4,4%, время выхода на установившийся поворот увеличивается на 20,5% и угол поворота рулевого колеса возрастает на 5,3°, при боковом ускорении автобуса 2,5 м/с2.

8. Осевой распределитель вследствие недостаточной герметичности по сравнению с роторным неэффективно поддерживает перепад давления на поршне, что объясняется внутренними утечками. При этом увеличение момента сопротивления на управляемых колесах автобуса вызывает увеличение радиуса его поворота при фиксированном угле поворота рулевого колеса. Следствием этого является уменьшение бокового ускорения автобуса и выход автобуса за пределы коридора.

9. Конструкция распределителя усилителя руля оказывает наибольшее влияние на управляемость автобуса при резком объезде внезапно возникшего препятствия (испытание «Переставка Б=20 м»),

10. Применение гидравлических усилителей с роторными распределителями на автобусах большого класса вполне обосновано, так как они имеют хорошие характеристики устойчивости и управляемости.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Цыбунов Э.Н. К вопросу о влиянии конструктивных параметров рулевого управления автомобиля на его устойчивость и управляемость. - Наб. Челны: Изд-во КамПИ // Материалы конференции «Наука и практика. Диалоги нового века». - 2003, - С. 78 - 79.

2. Бурашников Р.Б. Распределение нормальных реакций на колесах полноприводного грузового автомобиля со всеми управляемыми колесами при противофазном повороте управляемых колес /Р.Б. Бурашников, Э.Н. Цыбунов. - Пенза: ПГУСА // Материалы III международной научно-технической конференции. 4.2. «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств». - 2004, - С. 247 - 250.

3. Цыбунов Э.Н. К вопросу исследования установившегося движения двухосных автобусов большого класса /Э.Н. Цыбунов, Р.Б. Бурашников. - Пенза: ПГУСА // Материалы III международной научно-технической конференции. 4.2. «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств». - 2004, - С. 91 - 96.

4. Цыбунов Э.Н. Методика исследования установившегося движения двухосных автобусов большого класса и решение обратной задачи /Э.Н. Цыбунов, Р.Б. Бурашников. -Тольятти: ТГУ // "Современные тенденции развития автомобилестроения в России" (сборник трудов), «Всеросийская научно - техническая конференция с международным участием». - 2004, - С. 145 - 147.

5. Бурашников Р.Б. К вопросу об устойчивости полноприводных грузовых авомобилей с колесной формулой 4x4 с различными схемами рулевого управления /Р.Б. Бурашников, Э.Н. Цыбунов. - Екатеринбург: УГТУ // Материалы научно - технической конференции. «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса». -2004, - С. 48 - 49.

6. Цыбунов Э.Н. К вопросу об устойчивости и управляемости автобусов большого класса /Э.Н. Цыбунов, Р.Б. Бурашников. - Екатеринбург: УГТУ // Материалы научно -технической конференции. «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса». -2004,-С. 46-47.

7. Цыбунов Э.Н. Исследование устойчивости и управляемости двухосных автобусов большого класса /Э.Н. Цыбунов, Р.Б. Бурашников. - Наб. Челны: Изд-во КамПИ // Межвузовский сборник «Проектирование и исследование технических систем». - 2004, №4 -С. 95-99.

8. Галимов Н.С. Построение дифференциальных уравнений криволинейного движения автомобиля с помощью уравнений Лагранжа второго рода /Н.С. Галимов, Р.Б. Бурашников, Э.Н. Цыбунов //Электронное периодическое издание «Социально экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация», - №8, 2004 г. (http://kampi.ru/sets).

9. Селифонов В.В. Динамика криволинейного движения автомобиля с учетом характеристик распределительного устройства гидроусилителя рулевого управления / В.В. Селифонов, Э.Н. Цыбунов. - Тула: Изд-во ТулГУ // Известия ТулГУ. Сер. Автомобильный транспорт. Вып. 10: Материалы Первой Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта». - 2006, №10 - С. 268 - 274.

ЛР N 020342 от 7.02.97 г. ЛР№ 0137 от 2.10.98 г. Подписано в печать 27.02.07 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л 1,2 Усл.-печ.л. 1,2 Тираж 100 экз.

Заказ 833 Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-66-27 e-mail: ic@kampi.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ УСЮПЧИВОСШ И VI1РАВЛЯГМОС111 АВЮМОБИЛЕП.

1.1 Усюйчивость и управляемоеп» авюмобиля, основные определения и термины.

1.2 Исследования управляемости и устойчивое ж авюмобилей.

1.3 Выводы по обзору работ, посвященных исследованию управляемости и устойчивоеж авюмобилей.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ НА УС IОИЧ1II30CIЬ II УПРАВЛЯЕМОСТЬ АВТОБУСА.

2.1 Исследование установивши ося движения автомобиля.

2.1.1 Мшемашческая модель движения авюбуса по кривой постоянного радиуса.

2.1.2 Кршерии оценки устойчивости и управляемости установившегося движения автомобиля.

2.1.3 Расчет ное определение козффициен га блокировки дифференциала.

2.1.4 Результаты исследования установившеюся движения.

2.2 Математическая модель криволинейною движения авюбуса.

2.2.1 Дифференциальные уравнения неусчановившеюся движения авюбуса.

2.2.2 Кршерии оценки устойчивое ж и у иравляемосш автомобиля при неустановившемся движении.

2.2.3 Резулыаш исследования неустановившеюся движения.

2.2.3.1 Теоретическое исследование испытания «Усилие на рулевом колесе».

2.2.3.1.1 PacMiM шачений эквиваленшых ко)ффициешов сопротивления \вод> при йеныiамии «Усилие на рулевом колесе».

2.2.3.2 Теоретические исследования испытания «Рывок р)ля». 2.2.3.2.1 Расчет значений жвиваленшыч коэффициентов еопрошв 1ения >воду при испытании «Рывок р>ля» авюб)са 11НФЛЗ 5299 - 02.

2.2.3.2.1 Расчет шачений жвивалешных козффициеиюв сопротивления >вод\ при испьпании «Рывок руля» автоСпеаНЕФАЗ 52991.

2.2.3.3 Теоретические исследования исиьпания «Вход в noBopoi R = 35 м».

2.2.3.4 Теоретические исследования исиьпания

Перес тавка S = 20 м».

2.3 Выводы по 1лаве.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Определение характеристик i идравличеекич }силителеи рулево1 о правления.

3.1.1 Испьпание «Харак1ерис1ики распредели имя р(а) к р(М)».

3.2 Исследования устойчивости и управляемости в дорожных условиях.

3.2.1 Испытание «Усилие на р>левом колесе».

3.2.2 Методы определения управляемоеiи авюбуса. Испытания «поворот» и «пересивка».

3.2.2.1 Испытания «поворот RM=35 м».

3.2.2.2 Исиьпания «пересивка S„=20 м».

3.3 Оценка адекватности магемашческой модели

3.4 Выводы по I лаве.

4. РАСЧЕГ КРИВОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ АВТОБУСОВ БОЛЬШОГО

КЛАССА С ГИДРОУСИЛИТЕЛЕМ РУЛЯ 6520-3400020.

4Л Расчет параметров движения при исиьпашш «Рывок* руля».

4.2 Раечс1 параметров движения при испытании «Вход в поворо

R=35 м».

4.3 Расчс1 параметров движения при испытании «Пересчавка

S = 20 м».