Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследования 14
1.1. Анализ исследований вибрационных и прочностных параметров колесных машин 14
1.2. Анализ исследований вибрационных и прочностных параметров рулевого управления колесных машин 20
1.3. Анализ исследований вибрационных и прочностных параметров элементов конструкций с использованием плотности потока механической энергии 25
1.4. Цель и задачи исследования 33
Глава 2. Моделирование вибрационных параметров рулевого управления колесных машин 34
2.1. Плотность потока механической энергии, вектор Н.А. Умова 34
2.2. Математическая модель среды распространения механических волн 37
2.2.1 Основные положения и допущения теории простых оболочек и пластин 37
2.2.2. Терминология, анализ моделей при описании пластин в механике 42
2.2.3. Кинематические уравнения и допущения для пластин и тонких оболочек 44
2.2.4. Отношения моментов, сил и напряжений в пластине 46
2.2.5. Уравнение равновесия пластины 49
2.3. Математическое моделирование плотности потока механической энергии для снижения вибрации в деталях автомобилей 51
2.4. Математические выражения и алгоритм расчета плотности потока механической энергии для инженерных программных комплексов 58
Глава 3. Исследования вибрационных параметров рулевого управления колесных машин 62
3.1. Описание объектов численных и экспериментальных исследований .62
3.1.1. Этапы численных исследований 62
3.1.2. Особенности разбиения моделей на сетки конечных элементов, сборки моделей и создания контактов 63
3.1.3. Характеристика объектов экспериментальных исследований 66
3.2. Численные и экспериментальные исследования плотностей потоков механической энергии в пластине и вале рулевой колонки 67
3.2.1. Методика численного эксперимента 67
3.2.2. Моделирование плотности потока механической энергии в плоской пластине 68
3.2.3. Моделирование плотности потока механической энергии в верхнем валу рулевой колонки 75
3.3. Численные исследования собственных колебаний рулевых колонок колесных машин 78
3.4. Численные исследования отклика на вынужденные колебания рулевых колонок колесных машин 83
3.5. Экспериментальные исследования отклика на вынужденные колебания рулевой колонки 87
3.6. Модернизация кронштейна рулевой колонки
3.6.1. Исследования вибрационных параметров верхнего крепежного кронштейна исходной конструкции 92
3.6.2. Исследования вибрационных параметров верхнего крепежного кронштейна модернизированной конструкции 95
3.7. Методика снижения вибрационных параметров рулевого управления колесных машин 101
Заключение 105
Библиографический список
- Анализ исследований вибрационных и прочностных параметров рулевого управления колесных машин
- Основные положения и допущения теории простых оболочек и пластин
- Особенности разбиения моделей на сетки конечных элементов, сборки моделей и создания контактов
- Численные исследования отклика на вынужденные колебания рулевых колонок колесных машин
Введение к работе
Актуальность работы. Параметры вибрации и шума являются показателями качества колесных машин, уровня совершенства их технологии, культуры производства, надежности и долговечности. Требования по вибрации и комфорту особенно высоки к деталям и системам колесных машин, с которыми водитель взаимодействует непосредственно, таким как рулевое управления. Чувствительность рулевой системы к неровностям дороги и собственным внутренним процессам, вызывающим колебания в рулевом управлении, влияет на процесс вождения автомобиля. Конструкцией рулевого управления должна быть предусмотрена минимизация вибраций , получаемых водителем, потому анализ виброакустических характеристик системы рулевого управления очень важен на этапе её разработки. Виброакустического комфорта не достигнуть только выбором определенного агрегата или элемента на этапе компоновки автомобиля, он требует внедрения в процесс разработки рациональных решений, основанных на изучении комплекса колебательных процессов, причин и источников возникновения колебаний, рассмотрения путей распространения механической энергии по конструкции.
Современные колесные машин ы состоят из подсистем. Энергия, подводимая к возбуждаемой подсистеме, передается на соседнюю подсистему, затем распространяется на следующие и т.д. В результате вибрация излучается из подсистемы, которая находится в месте, где конструкторами предполагается отсутствие колебаний. Автопроизводителями эффективно используются модели комплексного анализа виброакустических и прочностных характеристик для расчета кузовов, однако для отдельных подсистем колесных машин (в частности, рулевого управления) процедуры анализа вибронагруженности с учетом плотности потока энергии механических волн еще недостаточно разработаны. Поэтому актуальными являются исследования влияния вибрации деталей друг на друга внутри системы рулевого управления, методов и технологий снижения вибраций, способов получение детальной информации о путях и направлениях распространения механической энергии, местах её концентрации и затухания.
Основные научные и опытно-конструкторские разработки по теме диссертации выполнены в рамках работ по созданию многофункционального вездеходного коле сного т ранспортного средства по теме ФЦП «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2017-2020 годы».
Цель работы. Снижение вибронагруженности элементов рулевого управления колесных машин на основе теоретических и экспериментальных исследований.
Объекты исследования. Объектами теоретических исследований были ру-3
левые колонки и их математические модели: модели рулевых колонок в сборе, кронштейнов крепления рулевых колонок к кузову, валов рулевых колонок и металлических пластин как простейших деталей. Объектами экспериментальных исследований были рулевые колонки, устанавливаемые на изготавливаемых в России автомобилях «Фольксваген Тигуан», «Фольксваген Поло», «Шкода Рапид» (г. Калуга), «Шкода Йети», «Фольксваген Джетта», «Шкода Октавия» (г. Нижний Новгород), верхний крепежный кронштейн и верхний вал этой рулевой колонки; рулевая колонка, устанавливаемая на изготавливаемых в России автомобилях «Лада Ларгус», «Лада Веста», «Лада Хray», «Ниссан Алмера», «Рено Сандеро» и Рено Логан (г. Тольятти), на экспериментальном образце многофункционального вездеходного колесного транспортного средства (г. Нижний Новгород). Научной новизной работы являются:
-
Методика снижения вибронагруженности элементов рулевого управления колесных машин, отличающаяся тем, что впервые в процедуре расчета вибрационных параметров учитывается плотность потока механической энергии;
-
Результаты моделирования плотностей потоков механической энергии в элементах рулевого управления, отличающиеся тем, что впервые отдельно учитываются кинетическая и потенциальная энергии , что позволило создать инженерный критерий оценки вибронагруженности элементов рулевого управления колесных машин;
-
Разработанный показатель распределения механической энергии в деталях колесных машин, отличающийся тем, что с его помощью впервые объясняется и описывается появление вибрации в местах, где её источники отсутствуют, согласно традиционному анализу напряжений и деформаций.
Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались положения механики сплошных сред, теории простых оболочек и пластин, методы конечных элементов, спектральный и корреляционный анализ, методы пространственного преобразования Фурье, элементы теории функций комплексных переменных и классической теории сопротивления материалов и теоретической механики. Экспериментальные исследования проводились с использованием датчиков ускорений, модального молотка, возбудителя колебаний, усилителя сигналов, многоканального анализатора и компьютера с пост-про-цессинговым пакетом обработки. Численные исследования выполнялись с применением инженерных программных пакетов «Ансис», «Гипер-Вёркс», «Гипер-Меш», «Гипер-Вью» и офисных программных продуктов общего назначения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика и алгоритм расчета вибронагруженности элементов рулевого управления колесных машин с учетом плотности потока механической энергии;
-
Результаты численных и экспериментальных исследований плотностей потоков механической энергии, собственных колебаний и откликов на вынужденные колебания рулевой колонки в сборе, верхнего крепежного кронштейна и верхнего вала рулевых колонок ;
-
Результаты внедрения проведенных исследований в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по совершенствованию элементов рулевого управления колесных машин на предприятиях-изготовителях.
Достоверность результатов подтверждается согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными , полученными с использованием со -временного измерительного оборудования, а также применением известных достижений фундаментальных и прикладных наук и апробированных программных комплексов.
Практическую ценность работы имеет методика снижения вибронагру-женности элементов рулевого управления колесных машин, позволяющая: на этапе проектирования выявлять и описывать в деталях нагруженные места; сокращать количество натурных испытаний; снижать массу изделия при сохранении прочностных характеристик; сокращать время и стоимость изготовления. Материалы диссертации могут быть использованы в расчетно-конструкторских отделах компаний, проектирующих колесные машины, в научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на III Международной научно-технической конференции «Проблемы т ранспортных и технологиче ских комплексов» (Н.Новгород, 2012 г.), на 10–12-й Международных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2010-2013 гг.), Международном научном симпозиуме «Дассо Системс» (Москва, 2013 г. и 2014 г.), Международном научно-техническом семинаре «Применение ПК AБАКУС в автомобильной индустрии» (Вена, 2013 г.), научно-практическом семинаре «Современные CAD-CAE ПК в машиностроении» (Ростов на Дону, 2014 г.), семинаре «Технологии инженерного компьютерного моделирования» (Ростов на Дону, 2014 г.), Всероссийской научно-практической конференции «НЕФТЬ. ГАЗ. ХИМ. 2014», (Саратов, 2014 г.), X и XI Международных конференциях STAR Russia «Компьютерные технологии тепло-массопереноса и решение проблем прочности» (Н. Новгород, 2014, 2015 г.), 59-м заседании УМК по направлению подготовки в области автомобильных и тракторных средств в Белорусско-Российском университете (Могилев, 2015 г.), Международной конференции «Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики 2015» (АПВПМ-2015, Новосибирск).
Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы в
научно-исследовательских работах при создании программного кода для постпроцессора программного комплекса «Ансис», который используется в компании «Тиссен-Крупп» при разработке рулевого управления автомобилей; в опытно-конструкторских работах при модернизации кронштейна крепления рулевой колонки (кронштейн выпускается серийно и устанавливается на автомобили Фольксваген и Шкода, выпускаемые в г. Калуга и г. Нижний Новгород), при создании колесного многофункционального вездеходного транспортного средства (г. Нижний Новгород); в учебно-методических работах в учебном процессе кафедры СДМ ФБГОУ ВО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева».
Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанные методики и компьютерная программа внедрены в «Фольксваген-МариАвтоЦентр», «Тиссен-Крупп Преста»; ООО «Машиностроительный инжиниринговый центр», ООО «Промтех-НН», ОАО «МАНН», Центр «Технических средств и технологий мониторинга окружающей среды», а также в учебном процессе кафедр «Автомобили и тракторы» и «Строительные и дорожные машины» НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Копии актов о внедрении результатов работы приведены в Приложении к диссертации.
Квалификационная формула работы. Диссертационная работа является самостоятельной научно-квалификационной работой. В ней на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в разработке методики снижения вибронагруженности элементов рулевого управления колесных машин. Внедрение технических решений при модернизации элементов рулевого управления имеет существенное значение для автомобильной отрасли экономики.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах: 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ; 5 статей в журналах, не входящих в данный перечень; 8 тезисов научных докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 274 наименований и приложения. Диссертация содержит 128 страниц основного машинописного текста, включая 49 рисунков, 5 таблиц и 34 страницы приложения.
Анализ исследований вибрационных и прочностных параметров рулевого управления колесных машин
При использовании комплексного анализа виброакустических и прочностных характеристик пользуются тремя взаимосвязанными понятиями -«шум», «вибрация» и «жесткость», определения которых для инженеров отличаются от стандартных физических определений.
В физике «шум» — это беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Первоначально понятие «шум» относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно распространено и на другие виды колебаний (радио, электричество) [92]. В физике «вибрация» - механические колебания твердых тел. О вибрации также говорят в более узком смысле, подразумевая механические колебания, оказывающее ощутимое (тактильное) влияние на человека. В этом случае рассматривается частотный диапазон 1,6-1000 Гц.
Для инженеров в области комплексного анализа виброакустических и прочностных характеристик на основании Стандарта SAE J 670Е «Комитета Динамики Транспортных Средств» приняты следующие определения [215,216]: - «шум» определяется как любой неприятный или неожиданный звук, со здаваемый вибрирующим объектом, акустические вибрации объекта характери зуется ощущением давления через уши; - «вибрация» определяется как любое нежелательное повторяющееся движения объекта, вперед-назад или вверх-вниз [216, 239], воспринимается тактильно пассажирами и водителем транспортного средства на точках контак та — на рулевой колонке, на сидении, на полу и т.д.; - «жесткость» определяется как агрессивное ощущение подвески или от сутствие реакции в ответ на единичное воздействие, может быть воспринято как тактильно, так и на слух.
Термин «Жесткость» в комплексном анализе виброакустических и прочностных характеристик является спорным и трактуется разными автопроизводителями по-разному. Он может относиться к субъективному восприятию вибрации и шума, и являться критерием количественной оценки «резкости» поведения узлов и агрегатов автомобиля. Другая трактовка рассматривает «Жесткость» как прочностной параметр элементов конструкции.
Комплексный виброакустический и прочностной анализ относится к области инженерной механики, направлен на измерение и оптимизацию шумовых и вибрационных характеристик автомобилей, повышает роль виртуальных прототипов автомобилей для сокращения цикла разработки и сокращения затрат при сохранении качества, и способствует разработке большого числа вариантов автомобилей на основе небольшого количества базовых платформ.
Комплексный виброакустический и прочностной анализ приобретает важное значение ввиду взаимо-противоречивых требований, предъявляемых к автопроизводителям потребителями и государственными органами: - потребители становятся более требовательны в отношении виброакустических характеристик транспортного средства, - требования по экономии топлива вынуждают разрабатывать более легкие автомобили, что приводит к тому, что проблемы шума и вибраций становятся более очевидными и критическими, - шумовое воздействие на окружающую среду строго регламентируется законодательством большинства государств (в том числе и России), так как это является нагрузкой на окружающую среду и влияет на здоровье граждан.
Важность вибрационной и акустической безопасности подтверждает наличие большого количества требований по виброакустике. Общая и локальная вибрация нормируется предписаниями тридцати четырех международных стандартов ИСО (ISO) и шестью европейскими нормами (EN), шум — восемью Правилами ЕЭК ООН «О единообразных технических предписаниях для колесных транспортных средств…». Основными из них являются требования к общей (ГОСТ 31191.2-2004 [37]), локальной (ГОСТ 31192.2-2005 [38]) вибрации и внешнему шуму [80, 81].
Проведение расчётного анализа вибрации и шума, а тем более оптимизация параметров конструкции требует решения задач по исследованию разнородных по своей природе физических явлений в различной постановке: - кинематический и динамический анализ механизмов, входящих в проектируемое изделие; - определение упруго-демпфирующих характеристик виброизолирующих компонентов конструкции; - моделирование напряжённо-деформированного состояния сложных пространственных конструкций (кузова, рамы, элементов корпуса и т.п.); - моделирование взаимодействия конструктивных элементов изделия с акустическими объёмами и распространения в них звука. Комплекс проводимых исследований по уменьшению шума и виброна-груженности автомобилей включает в себя, во-первых, борьбу с шумом и вибрациями в источнике и, во-вторых, на путях их распространения. При этом исследуемые колебательные процессы имеют различный характер. Такие источники, как двигатель и трансмиссия создают периодические возмущения, зависящие от конструкции и режимов работы, а, например, шины при воздействии с дорожным полотном возбуждают колебания, имеющие случайный характер (рис. 1.2). Именно эти колебания и передаются затем силовой установке, трансмиссии, панелям кузова и другим узлам и деталям автомобиля.
Основные положения и допущения теории простых оболочек и пластин
Простая оболочка - двумерная деформируемая среда, напряженное состояние в которой полностью определяется заданием двух силовых тензоров: тензора усилий и тензора моментов [53]. Под понятие «простая оболочка» подпадают совершенно различные физические объекты: однослойные, многослойные, ребристые, мягкие, сетчатые и другие оболочки.
Попадают под определение простой оболочки и многие конструкции, для которых еще не разработаны полные теории. Название «простая оболочка» принято по аналогии с «простыми материалами» в механике сплошной среды. Теория простых оболочек удобна для прикладных инженерных исследований, поскольку в теории простых оболочек тензоры усилий и моментов являются функционалами только от первых градиентов деформации.
Чтобы использовать абстрактную деформируемую среду для целей инженерного анализа, она должна обладать физическими свойствами — обладать массой и способностью сопротивляться деформированию. Ниже приведены закономерности, описывающие поведение простых оболочек.
Допущения теории простых оболочек [53, 90].
1. Принцип затвердевания (локальности, освобождения от связей): произвольно выделенная часть простой оболочки не изменит своего состояния, если действие отброшенной части заменить соответствующим распределением усилий и моментов, действующих по границе выделенной части.
2. Первый закон динамики Эйлера: скорость изменения количества движения произвольно выделенной части простой оболочки равна главному вектору сил, действующих на эту выделенную часть [46, 53, 90, 92].
3. Второй закон динамики Эйлера: скорость изменения кинетического момента (момента количества движения) произвольно выделенной части простой оболочки равна главному моменту сил и моментов, действующих на эту часть [92].
4. Первый закон термодинамики (уравнения баланса энергии): скорость изменения полной энергии произвольно выделенной части простой оболочки равна мощности сил и моментов, действующих на эту часть, плюс скорость подвода энергии немеханического происхождения (обычно в форме тепла) [92].
5. Второй закон термодинамики: вся механическая работа может быть переведена в тепловую энергию, но всю тепловую энергию перевести в механическую работу невозможно [92].
Пластина — это трехмерное тело, наделённое специальными геометрическими особенностями. Наиболее значимые из них: тонкость — один из размеров пластины, называемый её толщиной, значительно меньше, чем в два других; и п лоскостность — срединная поверхность пластины, которая является геометрическим местом точек, расположенных на полпути между двумя поверхностями пластины, является плоскостью [53]. «Пластина» в данной работе — это тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями, расстояние между которыми, называемое толщиной пластины h=const, мало по сравнению с его другими размерами. Когда напряжения действуют в плоскости пластины, это называется мембранным или пластинчатым состояние [53]. Такое положение возникает, когда внешние нагрузки действуют на срединную поверхность пластины (рис. 2.2, а).
При условии, что распределение напряжений и деформаций по толщине может рассматриваться как равномерное (однородное), трехмерная задача может быть упрощена до двухмерной. Если пластина отображает линейно-упругое поведение в диапазоне применяемых нагрузок, то фактически задача сводится к двух-размерной эластичности [53].
Варианты нагруженных состояний элементарной плоской пластины и модель детали автомобиля, состоящей из плоских пластин: а - плоско-напряженное (мембранное) состояние, б - изгибное состояние, в - конечно-элементная модель вала рулевого управления автомобиля, состоящая из пластин, испытывающих плоско-напряженное и изгибное состояния
Термин «пластина» используется в строительной механике для описания расчётной схемы с учетом особенностей геометрии тела. В случае, когда один из размеров тела значительно отличается от двух других, для упрощения расчета на прочность, жесткость и устойчивость реальная трехмерная конструкция может заменяться её расчетной схемой. Для пластин такой расчетной схемой является двухмерное плоское тело, перемещения которого определяются перемещениями плоскости, которая делит пополам толщину пластины. Эта плоскость называется «срединной плоскостью». При изгибе пластинки срединная плоскость превращается в изогнутую поверхность. Линия пересечения боковой поверхности пла -стинки со срединной плоскостью называется контуром пластинки [53]. Используемое в определении пластины понятие «значительно отличается» для инженеров не вполне определенно. В зависимости от особенностей нагружения пластины принимаются разные предельные соотношения между толщиной и двумя другими размерами пластины. Наиболее надежным условием того, что объект может рассматриваться как пластина, является сравнение результатов расчета двумя методами —как пластины и как плоского трехмерного тела, эти сравнение для деталей рулевого управления приводятся ниже. Для расчетов в данной работе принимается условие — для пластины толщина меньше других размеров не менее, чем в 5 раз. Тонкая пластина, у которой максимальный прогиб под действием поперечной нагрузки превышает четверть её толщины, называется гибкой пластиной [53].
В данной работе исследуются детали автомобиля, моделируемые элементами — пластинами, подвергающиеся и продольным, и поперечным нагрузкам (рис. 2.2). Во втором случае нагружающая сила нормальна к срединной поверхности, как изображено на рисунке 2.2, б. В результате таких действий перемещения вне плос ко сти пластины, и распределение напряжений и де формаций по толщине больше не является однородным. Нахождение этих перемещений, деформаций и напряжений является задачей изгиба пластины. Изгибающие компоненты пластины возникают, когда пластины функционирует в каче стве мо стов, дорожного полотна, пло ских крыш и полов автомобильных фургонов . Их функция заключается и в том, чтобы противостоять боковым нагрузкам, то есть сочетанию момента и поперечной силы [53]. Если прилагаемая нагрузка содержит составляющие в плоскости пластины, то последняя будет одновременно работать и как диафрагма (мембрана), и на изгиб. Так происходит в деталях и узлах рулевого управления автомобилей. Такая комби нация рассматривается в методе конечных элементов в модели плоской оболочки — это суперпозиция плоских мембранных и изгибных элементов. На рисунке 2.3 приведены примеры двух конечно-элементных моделей, по строенных при проведении данных исследований — рулевой колонки автомобилей «Фольксваген», в которых в процессе исследований (выбора конечно-элементной модели) одни и те же узлы и детали моделировались и элементами «пластина», и элементами «плоская оболочка»; и рулевой колонки автомобилей «Ниссан», моделированной элементами «пластина».
Особенности разбиения моделей на сетки конечных элементов, сборки моделей и создания контактов
В последних выражениях: знак « » указывает комплексное сопряжение величины; обозначения соответствуют выражению (2.3.6); Im{!i } - это действительная часть плотности потока энергии механической волны, полученная преобразованием Фурье мнимой части (2.3.14); Re{!i } - это мнимая часть плотности потока энергии механической волны, полученная преобразованием Фурье действительной части (2.3.14); i=x, y.
Анализруя выражения (2.3.11) из работ [123, 177] и выражения (2.3.13) из работы [191], можно сделать следующие выводы.
После перехода из временной в частотную область: — действительные части выражений (2.3.13), обозначенные Im{!i }, описывают мнимую частью плотности потока энергии механической волны, т.е. стоячие волны, которые, согласно [89], не переносят энергию; т.о. при анализе распределения плотности потока энергии волн в деталях автомобилей при помощи этой составляющей можно выявлять места концентрации и рассредоточения энергии механических волн; — мнимые части выражений (2.3.13), обозначенные Re{! i }, описывают действительную частью плотности потока энергии механической волны (разницу между кинетической и потенциальной энергиями), т.е. бегущие волны, которые переносят энергию [89]; т.о. при анализе распределения плотности потока энергии волн в деталях авто мобилей при помощи этой составляющей можно выявлять пути перемещения энергии механических волн.
Представление о том, как и какая части комплексного кросс-спектра описывают распределение плотностей потоков двух видов энергий механических волн, не применялось до сих пор в исследованиях деталей и узлов рулевого управления автомобилей. Практически при исследовании кузовов автомобилей применялась описание плотности потока общей энергии волн [225]. Это является научной новизной данной работы, поскольку впервые:
- определяет алгоритм моделирования в деталях автомобилей не только плотностей потоков энергии вцелом, но и кинетической и потенциальной энергий отдельно,
- позволяет разработать методику расчета вибрационных параметров рулевого управления автомобилей с учетом перераспределения плотностей потоков кинетической и потенциальных энергий.
Приведенные выше выражения являются математическим описанием физических процессов, происходящих в тонкой оболочке - конечном элементе, на которые разбиваются исследуемые детали рулевого управления автомобилей. И, следовательно, используя такое математическое описание, становится возможным моделировать плотности потоков энергий механических волн в деталях и узлах автомобилей, как для механической энергии вцелом, так для кинетической и потенциальной энергий отдельно.
Чтобы, в соответствии с задачами работы, реализовать в практике ис -следований методику расчета вибрационных параметров элементов рулевого управления автомобиля с учетом плотности потока энергий волн в её деталях, на основании приведенных выше математических выражений был разработан алгоритм процедуры моделирования.
Математические выражения и алгоритм основаны на представлениях о связи действительной и мнимой частей плотности потока волны с кинетической и потенциальной энергиями, приведенных в зависимости (2.3.11). В нем для расчета плотности потока энергии волн реализована оригинальная процедура расчета кросс-спектров (2.3.13) и (2.3.14). Поэтому разработанный алгоритм отличается от стандартных алгоритмов кросс-спектральных преобразований из инженерных программных комплексов «Ансис», «Абакус» и др [42, 65, 86, 113].
По разработанному алгоритму были написаны программы для постпроцессора «Ансис». Полученный таким образом доработанный инженерный программный комплекс позволил получить поля плотностей потоков потенциальной и кинетической энергий механических волн в деталях рулевого управления колесных машин.
Ниже на рисунке 2.10 представлена последовательность применения приведенных выше математических выражений для временной и частотной областей (доменов). На рисунке 2.11 представлен алгоритм создания процедуры моделирования плотности потока потенциальной и кинетической энергий механических волн для программного комплекса «Ансис».
Основанная на выражениях (2.3.13) и (2.3.14) процедура была написана программным кодом для пост-процессора «Ансис» впервые . Отметим, что программный код, в отличие от алгоритма, является внедрением проведенных исследований в программный комплекс «Ансис», и не является частью проведенных исследований, поскольку для других инженерных про -граммных комплексов (например, «Абакус») требуется писать другой про -граммный код. Т.е. проводить другое внедрение разработанной методики.
В доработанном виде , с учетом плотностей потоков кинетической и потенциальной энергий волн, инженерный программный комплекс «Ансис» использовался для численного моделирования вибрационных процессов в деталях рулевого управления автомобилей «Фольксваген» и «Ниссан». Результаты приведены в Главе 3.
Численные исследования отклика на вынужденные колебания рулевых колонок колесных машин
Как видно из сравнения данных на рисунках 3.21 и 3.24 - поля распределения напряжений и перемещений в модернизированном кронштейне остались такими же как в исходной конструкции, но максимальная величина перемещений в точке крепления кронштейна к рулевой колонке снизилась на 21% — с 1,4 мм до 1,1 мм.
Из приведенных на рис. 3.25 полей распределения плотности потока механической энергии видно: удалось избежать присутствующих в кронштейне исходной конструкции мест концентрации механической энергии ; добиться более рационального и равномерного поглощения вибрации в теле кронштейна, что положительно скажется на эксплуатационных характеристиках этой детали и системы рулевого управления вцелом.
На рис. 3.26 представлены увеличенные векторные картины плотности потоков механической энергии в той части детали, где она концентрируется -в нижней части кронштейна.
Поля перемещений (а) и напряжений (б) модернизированного верхнего крепежного кронштейна рулевой колонки VW PQ35 GP при первой собственной частоте (150,71 Гц)
Сравнение плотности потока механической энергии в местах концентрации на верхнем крепежном кронштейне рулевой колонки VW PQ35 GP: исходной (а, в) и модернизированной конструкций (б, г)
Из данных, приведенных на рисунке 3.26 видно, что, после изменения конструкции кронштейна, в последнем уменьшились плотности потоков механической энергии в местах концентрации — в месте крепления к рулевой колонке.
Отличия предложенной конструкции верхнего крепежного кронштейна рулевой колонки автомобилей платформы PQ35 («Фольксваген-Шкода») от исходной конструкции: - кронштейн стал менее нагружен в месте концентрации механической энергии, в месте крепления к рулевой колонке, - кронштейн после модернизации имеет меньшее максимальное значение перемещений в месте крепления к рулевой колонке автомобиля - 1,1 против 1,4 мм.
После изменения конструкции кронштейна был заново проведен модальный анализ всей рулевой колонки VW PQ35 GP. В таблице 3.3 представлены результаты — собственные частоты колебаний рулевой колонки VW PQ35 GP с кронштейнами исходной и модернизированной конструкций.
Значения частот собственных колебаний рулевой колонки VW PQ35 GP с исходным и модернизированным кронштейнами, Гц № с исходным кронштейном с модернизированным кронштейном № с исходным кронштейном с модернизированным кронштейном Значения частот собственных колебаний исходного и модернизированного кронштейнов рулевой колонки VW PQ35 GP, Гц № исходный кронштейн рулевая колонка сисходнымкронштейном модернизированный кронштейн рулевая колонка смодернизированнымкронштейном
Были найдены собственные частоты (моды) исходного и модернизированного кронштейнов, они представлены в таблице 3.4. Так же в эту таблицу сведены значения собственных частоты (мод) рулевой колонки вцелом с обоими вариантами кронштейнов. По данным перемещений точки крепления рулевого колеса до и после модернизации кронштейна при всех собственных частотах колебаний рулевой колонки построен график в осях «максимальное перемещение места крепления рулевого колеса — номер частоты собственных колебаний рулевой колонки», представленный на рис. 3.27.
Из сравнения приведенных в табл. 3.3 и на рис. 3.27 данных собственных частот колебаний рулевых колонок автомобилей можно сделать выводы: - модернизация кронштейна позволила разнести моды, повысить третью (с 55,8 до 60,3 Гц) и четвертую (с 64,5 до 68,5 Гц) собственные частоты колебаний и удалить их от оставшейся неизменной первой и второй частот; - удаление третьей и четвертой мод от первой моды (характеризующейся повышенным перемещением точки крепления рулевого колеса) позволило снизить опасность увеличения колебаний на руках водителя в случае проникновения на рулевую колонку вибрации от других узлов и деталей автомобиля.
На рисунке 3.28 показаны рулевые колонки VW PQ35 GP с выпускаемым ранее (слева) и модернизированным верхними кронштейнами.
Проведенные сравнения двух вариантов конструкции верхнего крепежного кронштейна рулевой колонки VW PQ35 GP: - подтвердили правильность разработанного алгоритма и адекватность методики расчета вибрационных параметров рулевой колонки автомобиля с учетом плотностей потоков механической энергии в её деталях; - доказали пригодность доработанного программного комплекса «Ансис» для практических инженерных исследований вибрационных параметров деталей рулевой управления автомобилей; - доказали, что векторы интенсивности являются уникальными идентификаторами вибрационного поведения и позволяют делать подтвержденные практикой заключения о характере распределения механической энергии в деталях автомобилей.