Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований в области совершенствования вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля 6
1.1 Краткий обзор работ по исследованию колебаний автомобиля 6
1.2 Краткий обзор методов улучшения вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля 13
1.3 Основные методы оценки, критерии и нормативы плавности хода 25
1.4 Основные выводы, формулирование цели и постановка задач исследования 33
2. Теоретические исследования колебаний автомобиля ... 35
2.1 Общие положения моделирования технических объектов 35
2.2 Разработка математической модели колебаний автомобиля, с учетом динамических гасителей колебаний колес 36
2.2.1 Выбор расчетной схемы колебаний автомобиля 36
2.2.2 Математическая модель колебаний автомобиля 40
2.2.3 Моделирование микропрофиля дороги 44
2.3 Проведение исследований по математической модели 54
2.4 Выводы 69
3. Постановка и решение задачи оптимизации 70
3.1 Метод и его алгоритм поиска рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей колебаний колес 70
3.2 Анализ результатов оптимизации 74
3.3 Выводы 89
4. Методика и результаты экспериментальных исследований колебаний автомобиля 91
4.1 Объект испытаний 91
4.2 Измеряемые параметры и оборудование для испытаний 95
4.3 Результаты экспериментальных исследований колебаний автомобиля 105
4.4 Обработка экспериментальных данных 113
4.5 Выводы 115
Основные результаты и выводы 116
Литература 118
Приложение 128
- Краткий обзор методов улучшения вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля
- Математическая модель колебаний автомобиля
- Метод и его алгоритм поиска рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей колебаний колес
- Результаты экспериментальных исследований колебаний автомобиля
Введение к работе
В последние годы все больше внимания стало уделяться проблемам комфорта и безопасности движения. При этом все более высокие требования предъявляются к эффективности работы автомобильных подвесок, поскольку они должны обеспечивать высокую плавность хода, устойчивость и управляемость автомобиля.
Большое влияние на эксплуатационные свойства автомобиля оказывает защита его систем, а также водителя, пассажиров и перевозимого груза от динамических воздействий со стороны дороги, при этом значительное внимание уделяют стабильности контакта колес с дорогой. Это приводит к тому, что приходится все глубже изучать сущность процессов, происходящих в виброзащитных системах, и переходить на иные методы борьбы с колебаниями автомобиля.
При проектировании подвески автомобиля одной из наиболее сложных проблем является выбор ее характеристик. От выбора характеристик подвески зависят многие эксплуатационные свойства автомобиля: плавность хода, средние скорости движения, безопасность и т.д. Выбор этих характеристик осложняется тем, что современные стандарты требуют высокого уровня виброзащиты водителя и пассажиров.
В настоящее время многими фирмами разрабатываются подвески нового поколения - активные или полуактивные. Они способны изменять свои свойства сразу по нескольким параметрам: по высоте, крену кузова и т.д. Но эти подвески пока еще достаточно дорогие, поэтому наиболее рациональным является использование полуактивных подвесок подстраивающихся под дорожную ситуацию, информация о которой носит статистический характер.
В настоящее время автомобиль как колебательная система имеет ряд направлений, изучению которых уделялось недостаточно внимания. К одному из
5 таких направлений можно отнести исследование вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля с динамическими гасителями колебаний колес.
Данная работа посвящена исследованию вибродемпфирующих свойств подвески автомобиля малого класса с динамическими гасителями колебаний колес при случайном воздействии со стороны дорожных неровностей, а, также разработке метода выбора рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей в зависимости от типа дороги и скоростного режима движения автомобиля. В ней отражены исследования, проводившиеся в ФГУП НИЦИАМТ и на кафедре «Автомобили» им. Е.А. Чудакова МГТУ «МАМИ» в 2004 году.
Краткий обзор методов улучшения вибродемпфирующих параметров подвески автомобиля
До появления различных систем гашения колебаний никакая подвеска не спасала от сильных толчков и ударов, возбуждаемых неровностями дорог, поэтому конструкторы были вынуждены создавать конструкции отдельных узлов и деталей с повышенными запасами прочности, что не только увеличивало массу, но и повышало уровень вибраций воздействующих на транспортное средство.
В попытке снизить уровень колебаний, возникающих в процессе движения автомобиля, конструкторы стали предлагать различные системы гашения колебаний. К самым первым, из которых можно отнести пневматические шины автомобиля.
Первым разработчиком пневматической шины можно считать Роберта Томсона. В его конструкции пневматическая шина состояла из двух частей: оболочки и камеры, которая изготавливалась из нескольких слоев ткани, пропитанной каучуком. Сама же оболочка состояла из кусков кожи. Но эта революционная разработка была довольно скоро забыта, и изобретателем шины стали считать Джона Данлопа. Необходимо отметить, что создание пневматической шины стало возможным благодаря изобретению процесса создания резины. Первым кто сумел превратить липкий каучук в прочный и достаточно эластичный материал стал Ч. Гудьир.
Введение в систему виброзащиты автомобиля пневматической шины позволило значительно улучшить плавность его хода. Однако первые пневматические шины были очень ненадежными и достаточно дорогими, поэтому появились и другие способы снижения вибронагруженности автомобиля. В конструкциях первых автомобилей отсутствовали амортизаторы, так как скорости этих автомобилей были невысокими, и машинам вполне хватало рессор. Но прошло всего несколько лет и стало ясно, что необходимы приспособления, способные гасить колебания кузова автомобиля.
Одну из самых первых конструкций амортизаторов предложил французский изобретатель Трюффо (рис. 1.1).
Между рамой 1 и рычагом 3 располагались кожаные шайбы, которые благодаря трению металла о кожу частично гасили колебания автомобиля. Тот же принцип использовался и в более поздних конструкциях: вместо кожи ставили несколько металлических пластин, сжимая их специальной регулировочной гайкой. Впрочем, довольно скоро появились самые разнообразные конструкции гидравлических амортизаторов.
Амортизаторы, как демпфирующий элемент современной подвески, получили наибольшее распространение в силу сочетания эффективности в работе, надежности и технологичности изготовления [33].
Основной функцией амортизатора является гашение колебаний в подвеске, обеспечение надежного контакта колеса с дорогой, комфорта и безопасности. Для выполнения своей функции амортизатор преобразует определенное количество энергии колебаний в тепло, а последнее рассеивается в окружающую среду. Количество поглощаемой энергии зависит от массы автомобиля, жесткости пружины, частоты колебаний и конструкции амортизатора.
Конструкций амортизаторов, вернее демпферов колебаний, в механике известно очень много. Однако в современной автомобильной промышленности получили широкое распространение только два из них - гидравлические и гидропневматические.
Область применения двухтрубных гидравлических амортизаторов велика - конструкционных ограничений практически нет. Их ставят на любые типы подвесок, правда, для двухтрубных стоек McPherson требуется толстый шток, ведь на нем будут лежать большие нагрузки. К тому же у двухтрубных есть один существенный недостаток, связанный с тем, что амортизаторная жидкость в них легко вспенивается. Это приводит к нестабильным характеристикам амортизаторов. Тем не менее, конструкция этих гасителей настолько проста, что они еще очень долго будут находить применение в автомобильной промышленности.
У однотрубных гидропневматических амортизаторов используется газовый «подпор» исключающий кавитацию и вспенивание амортизаторной жидкости, что делает амортизатор более стабильным в работе - это обеспечивает более надежный контакт с дорогой, а значит, и лучшие динамические качества автомобиля. Однако более всего ценится повышенная чувствительность «газового» амортизатора. Дело в том, что площадь поршня у однотрубных амортизаторов больше, чем у схожих по габаритам двухтрубных, а это значит, что они могут демпфировать малые и медленные колебания. К сожалению, есть у этой конструкции и недостатки: слишком большая длина амортизатора, склонность к заеданию поршня при повреждении цилиндра и т.д.
Принцип работы и конструкция двухтрубного гидропневматического амортизатора аналогичен двухтрубному гидравлическому амортизатору. Отличие заключается лишь в том, что в полость между амортизаторной жидкостью и резервуаром закачан инертный газ (азот) под давлением (4 атм.). Этого достаточно для исключения явления кавитации и значительного улучшения эффективности работы амортизатора.
Перемещения подвески и кузова автомобиля, вызываемые неровностями дороги, имеют самый разнообразный характер, от единичных толчков до повторяющихся колебаний. И от амортизаторов требуются разные, порой взаимоисключающие характеристики. Например, на волнообразном покрытии могут возникать резонансные колебания подрессоренных масс автомобиля, и здесь от амортизаторов требуется максимальное демпфирование, чтобы сохранить контакт колес с дорогой. При резких однократных толчках демпфирование должно быть минимальным, чтобы на кузов приходился меньший удар.
Математическая модель колебаний автомобиля
Перемещения подвески и кузова автомобиля, вызываемые неровностями дороги, имеют самый разнообразный характер, от единичных толчков до повторяющихся колебаний. И от амортизаторов требуются разные, порой взаимоисключающие характеристики. Например, на волнообразном покрытии могут возникать резонансные колебания подрессоренных масс автомобиля, и здесь от амортизаторов требуется максимальное демпфирование, чтобы сохранить контакт колес с дорогой. При резких однократных толчках демпфирование должно быть минимальным, чтобы на кузов приходился меньший удар.
Этим противоречивым требованиям удовлетворяют регулируемые амортизаторы, демпфирующие характеристики которых можно изменять в зависимости от дорожных условий. Управление характеристиками амортизатора осуществляется за счет изменения давления газа и параметров перепускных клапанов. В простых вариантах это можно сделать обычным переключением с водительского места.
В более сложных конструкциях подвеска оснащается набором датчиков ускорений, а управление берет на себя компьютер. Такая подвеска способна мгновенно приспосабливаться к изменениям дорожных условий, но она пока еще слишком дорога для массового автомобилестроения.
В практике автомобилестроения некоторые улучшения характеристик работы подвески достигаются благодаря возможности внутренней подстройки амортизаторов к расширенному диапазону эксплуатации. Изменение реакции автомобиля осуществляется в ступенчатом и бесступенчатом режиме. Практически любая крупная фирма имеет свой модельный ряд амортизаторов для комфортного или спортивного движения. Амортизаторы модели «Monroe Sensa Trac» имеют специальную конструкцию корпуса, в котором есть продольная проточка для увеличения скорости перетекания жидкости. Это позволило разделить диапазон перемещения штока на зоны с разной степенью демпфирования: «зона комфорта» и «зона контроля». В этой конструкции удалось уменьшить время реакции амортизатора на дорожные условия и обеспечить плавный переход с одного режима на другой.
Автомобилестроение - одна из наиболее наукоемких технических областей деятельности. В настоящее время при разработке автомобильных узлов применяются самые современные открытия, материалы и технологии. Одним из перспективных физических материалов, достаточно широко применяемых в различных отраслях деятельности человека, является магнитная жидкость.
Магнитная жидкость представляет собой коллоидную дисперсию магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированных в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Возможность ее использования, в частности, для машиностроения актуальна исходя из основных физических свойств магнитной жидкости. Сочетание хорошей текучести, активного отклика на внешнее магнитное поле, возможности управления их физическими свойствами с помощью внешних полей делает такие системы весьма перспективными для использования в технике. Все возможности ее применения основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно с помощью других материалов.
Свойства магнитной жидкости позволяют ее использовать и при создании амортизаторов. Суть работы таких амортизаторов состоит в том, что они позволяют менять свои характеристики «на ходу», путем изменения величины воздействия внешнего магнитного поля на магнитный коллоид. Таким образом, в зависимости от условий дорожного покрытия появляется возможность выбора режимов работы амортизаторов для достижения максимального комфорта. Работы в исследовании структур различных видов магнитных жидкостей в настоящий момент продолжаются и их результаты открывают новые возможности в их использовании.
Существенное улучшение плавности хода достигается при использовании систем автоматического регулирования характеристик подвески. В мировом автомобилестроении успешно реализуются конструкции подвесок с возможностью регулирования амплитуды колебаний автомобиля [67, 111]. Суть ее заключается в том, что свойства подвески настраиваются под внешние условия, возникающие при движении автомобиля, с помощью системы автоматического управления.
Регулируемые подвески транспортных средств можно разделить на два подкласса: активные [68, 89] и полуактивные. При работе активной подвески траектория движения колеса определяется исполнительным силовым устройством, которое перемещает это колесо в вертикальном направлении относительно кузова автомобиля, повторяя микропрофиль дороги. Эти активные подвески -подвески реального времени. Автомобили с такими подвесками оснащаются различными датчиками, компьютером, исполнительными механизмами и т.д. Затраты энергии при работе таких подвесок огромны, поэтому их рекомендуется применять на автомобилях представительского класса.
Метод и его алгоритм поиска рациональных вибродемпфирующих параметров динамических гасителей колебаний колес
На рис. 3.2 приведены СКЗ вертикальных виброускорений передней левой части кузова автомобиля ВАЗ-21099 без динамического гасителя и с ним в третьоктавных полосах частот, при движении по асфальтированной дороге со скоростью 70 км/ч. В третьоктавной полосе с центральной частотой 10 Гц СКЗ вертикальных виброускорений кузова с динамическими гасителями в передней подвеске (0,188л /с2 ) меньше, чем СКЗ вертикальных виброускорений кузова без гасителей (0,211 м/с2) на 11%, однако в полосе с центральной частотой 8 Гц наблюдается обратный эффект и виброускорения кузова с динамическими гасителями в подвеске возрастают на 7%.
СКЗ вертикальных виброускорений колеса на той же дороге и скорости приведены на рис. 3.3. При центральной частоте 10 Гц происходит наибольшее уменьшение СКЗ виброускорений (с 2,579м/с2 до 2,076м/с2), которое составляет 19,5%, что существенно влияет на снижение динамических нагрузок пере 86 даваемых на автомобильную шину. Но в полосе с центральной частотой 8 Гц эти виброускорения превышают виброускорения полученные при отсутствии в передней подвески динамических гасителей на 5,6%. При этом для данного типа дороги и скорости наиболее рациональное значение коэффициента жесткости пружины гасителя С = 8500(#/л ), а наиболее рациональное значение его коэффициента демпфирования К = 35(# с/м).
При движении по асфальтированной дороге со скоростями 90 и 110 км/ч (рис. 3.4-3.7) результаты повторяют закономерности, рассмотренные в предыдущем варианте. Однако при скорости 90 км/ч для кузова и колеса наблюдается наибольшее снижение СКЗ виброускорений в третьоктавной полосе с центральной частотой 12,5 Гц. Для передней левой части кузова это снижение составляет 14,8% (с 0,263 м/с2 до 0,224м/с2 ), а для переднего левого колеса 29,4% (с 5,675 м/с2 до 4,007м/с2 ). Однако у кузова в полосе с центральной частотой 8 Гц наблюдается возрастание СКЗ виброускорений по сравнению с данными, полученными при отсутствии динамических гасителей на 10% (с 0,262м/с2 до 0,291 м/с2 ). У колеса в той же полосе это увеличение составляет 5,02% (с 3,443% до 3,625%). На скорости 110 км/ч для передней левой части кузова максимальное снижение виброускорений достигает 30,6% (с 0,385м/с2 до 0,267м/с2 ) в полосе с центральной частотой 12,5 Гц, а для переднего левого колеса 35% (с 10,817 м/с2 до 7,026м/с2 ) в той же третьоктавной полосе. При движении со скоростью 110 км/ч в полосе с центральной частотой 10 Гц возрастают виброускорения передней левой части кузова на 11% (с 0,319л /с2 до 0,359м/с2). При движении по асфальтированной дороге со скоростью 90 км/ч наиболее рациональное значение коэффициента жесткости пружины гасителя С = 10050(#/л ), а наиболее рациональное значение его коэффициента демпфирования К = 40(Я-с/л ). На скорости 110 км/ч эти параметры: С = \3650(н/м) и К = 40(Н-с/м). Так как массы передних неподрессоренных частей автомобиля с динамическими гасителями колебаний и автомобиля с традиционной передней подвеской различны, то определенный интерес представляют динамические вертикальные силы в пятне контакта колеса с дорогой. На рис. 3.8-3.10 приведены СКЗ вертикальных динамических сил в пятне контакта возникающих при движении по асфальтированной дороге. При скорости 70 км/ч и центральной частоте 10 Гц наблюдается снижение динамической нагрузки по сравнению с нагрузкой на колесо при стандартной подвеске, которое составляет 21% (с 100,643 Я до 79,596 Я )в полосе с центральной частотой 10 Гц, но в полосе с центральной частотой 8 Гц эта нагрузка возрастает на 7,4% (с 92,3 Я до 99,729Я). При скорости 90 и ПО км/ч это снижение 28,3% (с 167,589Я до 120,05Я) и 30,5% (с 271,581 Я до 188,746я) соответственно, но уже на центральной частоте 12,5 Гц. При этом на скорости 90 км/ч и частоте 8 Гц динамическая сила возрастает на 12,3% (с 103,74Я до 118,392Я), а для скорости ПО км/ч этот рост составляет 13,75% (с 160,256Я до 185,82Я) в полосе с центральной частотой 10 Гц.
Интегральные СКЗ вертикальных динамических сил возникающих в результате работы подвески в стандартном исполнении и с применением динамических гасителей представлены на рис. 3.11. На скорости 70 км/ч максимальное снижение вертикальных динамических сил составляет - 7,8%, на скорости 90 км/ч - 8,8% и на скорости 110 км/ч - 11,2% соответственно.
При движении автомобиля по булыжной дороге ровного мощения влияние фактора скорости наибольшее, даже если эти скорости незначительны.
При скорости 15 км/ч в полосе с частотой 10 Гц отмечается снижение виброускорений кузова на 9,5% (с 0,185л /с2 Д 0,172л /с2 ) и колеса на 15,8% (с 2,868 м/с2 до 2,415 м/с2) в третьоктавной полосе с центральной частотой 12,5 Гц (рис. 3.12-3.13). На скорости 20 км/ч это снижение 24,8% (с 0,262м/с2 до 0,197м/с2) и 35,2% (с 7,525 м/с2 до 4,875м/с2 ) соответственно, но уже в полосе с центральной частотой 12,5 Гц (рис. 3.14-3.15). На скорости 15 км/ч и частоте 8 Гц происходит рост виброускорений для передней левой части кузова на 5.15% и для колеса на 3,5%. А на скорости 20 км/ч и частоте 10 Гц этот рост соответственно 8% и 6,2%.
При скорости 15 км/ч и центральной частоте 10 Гц наблюдается снижение динамической нагрузки по сравнению с нагрузкой на колесо при стандартной подвеске, которое составляет 18% (рис. 3.16). При скорости 20 км/ч и центральной частоте 12,5 Гц это снижение 30,4% (рис. 3.17). Интегральные СКЗ вертикальных динамических сил возникающих в пятне контакта представлены на рис. 3.18, где на скорости 15 км/ч и 20 км/ч максимальное снижение вертикальных динамических сил 8,5% и 10,5% соответственно. Наиболее рациональные параметры для скорости 15 км/ч С = 9300(я/л ), К = 40(н с/м), а наиболее рациональные значения для 20 км/ч С = 15250(я/л ), К = 45(я -с/м).
Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений кузова (рис. 3.19 и рис. 3.21) снижаются незначительно. Интегральные СКЗ вертикальных виброускорений колеса автомобиля, представленные на рис. 3.20, на скоростях 70; 90 и 110 км/ч снижаются на 7%, 9,6% и 19,6% соответственно. А на булыжной дороге и скоростях 15; 20 км/ч это снижение 9,5% и 19,5% (рис. 3.22).
Однако необходимо отметить, что наиболее рациональные вибродемпфи-рующие параметры подбирались исходя из того, что инерционная масса динамического гасителя составляла 2,5кг и не изменялась в ходе исследований.
Результаты экспериментальных исследований колебаний автомобиля
СКЗ вертикальных виброускорений кузова и колеса в условиях асфальтированной дороги и скорости движения 70 км/ч, полученные в результате обработки экспериментальных данных, представлены на рис. 4.16 и рис. 4.17. В полосе с центральной частотой 10 Гц происходит наибольшее снижение виброускорений кузова на 12,8% (с 0,195 м/с2 до 0,17м/с2 ), а в полосе с частотой 8 Гц наблюдается их рост на 9,6% (с 0,215 м/с2 до 0,238м/с2). Вертикальные виброускорения колеса, полученные при движении на скорости 70 км/ч (рис. 4.17), наиболее эффективно снижаются динамическим гасителем в полосе с центральной частотой 16 Гц, примерно на 17% (с 2,9м/с2 до 2,41 м/с2 ). В полосе с центральной частотой 8 Гц наблюдается рост виброускорений с 2,45 м/с2 до 2,91 м/с2 (на 15,5%).
На скорости 90 км/ч значительное снижение виброускорений кузова происходит в полосе с центральной частотой 12,5 Гц и составляет 21% (с 0,247 м/с2 до 0,195 м/с2), хотя в межрезонансной зоне они несколько повышаются (рис. 4.18). У колеса максимальное снижение этих виброускорений составляет 31% (с 5,1 Vе2 Д 3,51 м/с1) в полосе с частотой 12,5 Гц (рис. 4.19).
На скорости 110 км/ч максимальный эффект динамического гасителя наблюдается в той же полосе и для кузова составляет 28% (с 0,39м/с2 до 0,28 м/с2 ) (рис. 4.20), при некотором ухудшении в межрезонансной зоне, а для колеса 36%) (с 7,2м/с2 до 4,6м/с2 ) (рис. 4.21).
В условиях движения по булыжной дороге ровного мощения на скорости 15 км/ч вертикальные виброускорения кузова наиболее интенсивно снижаются на 15%о (с 0,235 м/с2 до 0,2м/с2) в полосе с центральной частотой 10 Гц (рис 4.22). У колеса этот эффект составляет 20,8% (с 3,6м/с2 до 2,85 м/с2 ) в полосе с частотой 12,5 Гц (рис. 4.23).
На скорости 20 км/ч максимальное снижение виброускорений кузова и колеса происходит в полосе с центральной частотой 12,5 Гц, и составляет 20% рис. 4.24 (с 0,305м/с2 до 0,24м/с2) и 35,8% рис. 4.25 (с 7,95м/с2 до 5,1 м/с2) соответственно. Как и во всех предыдущих случаях отмечается некоторый рост виброускорений в межрезонансной зоне. Интегральные значения виброускорений кузова и колеса представлены на рис. 4.26-4.27. При движении по асфальтированной и булыжной дороге снижение виброускорений кузова незначительное и максимум составляет 3,7% на скорости ПО км/ч. Для скоростей 70; 90 и ПО км/ч снижение виброускорений колеса составляет 8,5%; 10% и 16,5% соответственно. Интегральные значения виброускорений колеса, при движении по булыжной дороге ровного мощения представлены на рис. 4.27. Виброускорения колеса при скорости 15 км/ч снижены на 10%, а при скорости 20 км/ч на 15%. Результаты испытаний были обработаны следующим образом. Оценка ошибок параллельных опытов. В условиях наличия случайных помех с целью уменьшения случайных погрешностей эксперимента осуществляется дублирование опытов. Повторные опыты в одной и той же точке при наличии помехи дают различные результаты. Эту ошибку воспроизводимости надо оценить. Для каждой точки спектра плана по результатам параллельных опытов находят выборочное среднее по формуле: где: п = 5 - количество опытов в каждой точке спектра плана; N - количество точек спектра плана; xjt - текущее значение опыта. Для оценки отклонения функции отклика от ее среднего значения х} вычисляется дисперсия воспроизводимости опыта в каждой точке спектра плана: 114 где: п-\ обеспечивает несмещенность оценки дисперсии воспроизводимости опыта. Отсев грубых погрешностей. Для обнаружения ошибок в каждой точке спектра плана используется t-критерий Стьюдента: xJI- \lSj t (4-6) где: дг/(. - крайний (наибольший или наименьший) элемент выборки; / табличное значение критерия Стьюдента. Если это неравенство не соблюдается, то значение отсеивается и производится пересчет с учетом сокращенной выборки. Проверка однородности дисперсий. Однородность дисперсий означает, что среди всех дисперсий Sj нет таких, которые бы значительно превышали все остальные. Для проверки однородности дисперсий использовался критерий Фишера [103].
