Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 5
1.1. Плавность хода автомобиля. критерии оценки 5
1.1.1. Термины и определения 5
1.1.2. Критерии оценки плавности хода легкового автомобиля 7
1.2. Факторы, влияющие на плавность хода автомобиля 16
1.2.1. Микропрофиль дорожной поверхности 16
1.2.2. Моделирование качения колеса по дорожной поверхности 21
1.2.3. Система подрессоривания автомобиля 25
1.3. Методы исследования плавности хода автомобиля 28
1.3.1. Методы исследования колебаний автомобиля и обработки полученных результатов
1.3.2. Моделирование элементов системы подрессоривания 31
1.3.3. Математические модели автомобиля как колебательной системы...32
1.4. Учет влияния потерь на трение при исследовании колебаний автомобиля 35
1.5. Цель и задачи диссертации 37
Глава 2. Математическая модель автомобиля, как колебательной системы, принятая для исследования плавности хода автомобиля 39
2.1. Выбор математической модели автомобиля 39
2.2. Пространственная математическая модель 43
2.2.1. Математический аппарат пакета PRADIS 43
2.2.2. Модель автомобиля, реализованная в пакете PRADIS 45
2.2.3. Моделирование системы «человек-сиденье» 59
2.2.4. Моделирование потерь на трение в подвеске 66
Глава 3. Экспериментальные исследования по проверке адекватности используемой математической модели автомобиля 75
3.1. Проверка адекватности математической модели автомобиля 75
Глава 4. Результаты теоретического исследования 86
4.1. Условия проведения расчетного эксперимента 86
4.2. Влияние потерь на трение в подвесках при движении по дороге с асфальтобетонным покрытием 87
4.3. Влияние потерь на трение в подвесках при движении по дорогам с булыжным покрытием 89
4.4. Методика прогнозирования плавности хода автомобиля на стадии проектирования 92
Основные результаты и выводы 104
Библиографический список 106
Приложения 118
- Критерии оценки плавности хода легкового автомобиля
- Пространственная математическая модель
- Проверка адекватности математической модели автомобиля
- Влияние потерь на трение в подвесках при движении по дороге с асфальтобетонным покрытием
Введение к работе
Современные методы разработки автомобиля уже на стадии проектирования позволяют исследовать и совершенствовать системы подрессоривания и виброзащиты, оценивать характеристики плавности хода и нагруженность несущей системы посредством математического моделирования его движения. Однако используемые в настоящее время при разработке автомобиля математические модели систем подрессоривания все еще недостаточно теоретически и экспериментально наполнены.
Для создания модели колебаний автомобиля необходимо более глубокое изучение процессов преобразования воздействия микропрофиля дороги системой подрессоривания автомобиля. Как известно, гашение колебаний автомобиля обусловлено наличием вязкостного демпфирования, обеспеченного работой жидкости в амортизаторах, и демпфирования за счет потерь энергии на трение в подвеске автомобиля, которое можно разделить на внутреннее трение в элементах подвески и межэлементное. Именно величиной потерь на трение в подвеске определяется ширина петли гистерезиса ее характеристики вертикальной упругости.
Анализ литературных источников показал, что величина потерь на трение в пружинных подвесках, при которой обеспечивается приемлемая плавность хода, должна составлять не более 10% от вертикальной нагрузки. В то же время некоторые автомобильные концерны ужесточают эти рекомендации, говоря о допустимом значении трения не более 5%.
С другой стороны, отсутствие информации о качественном и количественном влиянии потерь на трение вносит свои погрешности в результаты моделирования колебаний автомобиля. Для определения степени влияния трения на параметры плавности хода необходимо определиться со способом его моделирования и со способом включения его в общую модель автомобиля, что позволит сблизить расчетные и экспериментальные данные, то есть дать более совершенную оценку плавности хода автомобиля на стадии проектирования и доводки автомобиля.
Критерии оценки плавности хода легкового автомобиля
Проблеме колебаний транспортных средств и анализа работы системы «Дорога-шина-автомобиль-водитель» посвящены исследования Бахмутова СБ. Беленького Ю.Ю., Бочарова Н.Ф., ВахламоваВ.К., Витковского С.Л., Гируцкого О.И., ГладоваГ.И., Горелика Я.М., Григоряна Г.П., Гридасова Г.Г., Дербаремдикера А.Д., ЖигареваВ.П, Иванова В.В., КнорозаВ.И., КотиеваГ.О., КравцаВ.Н., Кузьмина В.А., ЛатыВ.Н., Ломакина В.В., Мирзоева Г.К., Пархиловского И.Г., Певзнера Я.М., Пешкилева А.Г., Плетнева А.Е., Полунгяна А.А., Ротенберга Р.В., Рыкова СП., Савочкина В.А., Силаева А.А., Степанова И.С, Удовенко А.А., Фалькевича Б.С, Фурунжиева Р.И., Чудакова Е.А., Юдина Б.В., ЮдкевичаМ.А., ЯценкоН.Н., Mitchke М., Kirschke L., Hales F.D., Ellis J.R., Pacejka H. и многих других.
Из проведенных на начальном этапе работ, как ученых-автомобилистов, так и физиологов, мы знаем, что чувствительность человека к колебаниям зависит от частоты и максимальных значений перемещений, скорости, ускорений и скорости изменения ускорений. Однако окончательный критерий воздействия вибрации на человека найден не был. На этом этапе существенный вклад в развитие современной теории подрессоривания и оценки плавности хода внесли Пархиловский И.Г., Ротенберг Р.В., Хачатуров А.А., Цимбалин В.Б., Чудаков Е.А. и др.
В своей работе [107] Е.А. Чудаков говорит о том, что решение задачи определения универсального критерия плавности хода «значительно усложняется как неопределенностью воздействия внешних сил (неровности дороги), так и тем, что автомобиль представляет собой систему, обладающую очень большим числом степеней свободы».
Классической и самой приближенной оценкой плавности хода автомобиля являлась оценка собственной частоты колебаний кузова. Наиболее благоприятным считается, если собственная частота кузова приближается к средней частоте шагов человека, т. е., диапазон рекомендуемых собственных частот кузова 1,08 ... 1,4 Гц и в соответствии с полученным значением определяется жесткость системы подрессоривания автомобиля при проектном расчете [90]. Однако оценка плавности хода автомобиля, в общем, и вибронагруженности водителя в частности, по критерию собственной частоты кузова далеко недостаточна. Далее Е. А. Чудаков рассматривает возможность применения других характеристик колебаний автомобиля, связанных с амплитудой колебаний. Как таковая максимальная амплитуда колебаний zQ и максимальная скорость — не принимаются в качестве оценки воздействия вибрации на \dt)max организм человека. В качестве возможных измерителей рассматриваются максимальное ускорение, которое «определяет те максимальные воздействия, вызываемые в организме человека» при действии на него вибрации, а также производную ускорения по времени. Производная ускорения, по предположению автора, «должна особенно хорошо характеризовать плавность движения автомобиля. Постоянное воздействие на организм человека ... не должно оказывать такого вредного влияния, как быстрое его изменение, что и характеризуется в третьей производной пути по времени». Далее автор предлагает логарифмический измеритель интенсивности воздействия и показывает, что он «наиболее близко подходит к третьей производной пути по времени» [107]. Однако, как признает Е. А. Чудаков, все эти измерители могут использоваться только для оценки воздействия гармонического характера, когда как движение автомобиля нельзя назвать таковым. Кстати, современные авторы, работающие как в автомобилестроении, так, в частности, и в области управляемой виброизоляции, также предлагают в качестве критерия оценки ударных воздействий именно третью производную перемещения по времени [106].
Анализ проведенных ранее работ и формулировок определения плавности хода автомобиля позволяет выделить общее требование к критерию оценки качества работы системы подрессоривания. Он должен учитывать; условие безотрывности качения колеса; оценку вибрационной защиты человека, включая неравномерную чувствительность организма к вибрациям разных частот; оценку вибронагруженности элементов автомобиля; условие сохранности груза.
В отечественном автомобилестроении отраслевые стандарты (ОСТы) и руководящие документы (РД), регламентирующие воздействие вибрации на организм человека, основаны на требованиях, оговоренных в ГОСТ 12.01.012-78 и Международном стандарте МС ИСО 2631.
Для учета случайного удара рекомендован так называемый пиковый коэффициент, определяемый как модуль отношения максимума мгновенной пиковой величины, определенного с учетом частотного весового коэффициента сигнала ускорения, к его среднеквадратичному значению, однако пиковый коэффициент необязательно указывает на серьезность вибрации и МС ИСО предлагает еще два метода для оценки серьезности воздействия.
Пространственная математическая модель
При описании структуры моделируемое устройство представляется совокупностью элементов, соответствующих конструктивным узлам (рычаги, шарниры, передачи, направляющие и др.). Модель исследуемого объекта может быть образована как совокупностью отдельных элементов, так и объединением других объектов и элементов, при этом вложенность объектов друг в друга не ограничена. При необходимости отдельные детали представляются с требуемой степенью подробности областями конечных элементов.
В качестве входных параметров для элементов фигурируют данные конструкторской документации: геометрические размеры конструктивных элементов, характеристики узлов и свойства материалов, получаемые из испытаний.
Как известно, анализ переходных процессов в моделируемом объекте сводится к формированию и решению системы нелинейных дифференциальных уравнений. Методы, реализованные в PRADIS, разделены на две группы:
Первая - метод формирования математической модели объекта в виде системы дифференциальных уравнений узловым методом, при котором модель любого выделенного элемента может быть описана так называемыми компонентными уравнениями, в которых потоковые переменные, например, усилие в узлах элемента - определяются как функции потенциальных переменных — перемещение, скорость, ускорение, и, далее: - сборка компонентных уравнений всех элементов в одну- систему дифференциальных уравнений (ДУ); - преобразование полученных ДУ в систему обыкновенных ДУ (ОДУ) второго прядка Вторая - последовательность методов решения получаемой системы дифференциальных уравнений: - Численное интегрирование системы ОДУ - осуществляется неявными одношаговыми методами (методами Штермера или Ньюмарка) с контролем точности и автоматическим выбором шага интегрирования. Получение системы нелинейных алгебраических уравнений (СнЛУ). - Решение получаемой СнЛУ методом Ньютона, который сводится к выбору начального приближения и организации последовательности итерации. Получение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Система линейных уравнений на каждой итерации имеет вид: [Y] {dX} = {I}, где [Y] - якобиан, являющийся матрицей коэффициентов системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ); {dX} - определяемый вектор приращений; {1} - вектор правых частей.
В PRADIS созданы библиотеки моделей элементов - компоненты, отражающие физические свойства выбранного элемента, включающие в себя: группу моделей, устанавливающих начальные значения скоростей и перемещений для выбранных пользователем степеней свободы; группу моделей, отображающих инерционные свойства отдельных компонентов моделируемых технических систем при одномерном, плоском и пространственном движении; группа моделей, описывающих жесткостные и диссипативные связи; группа, характеризующая элементы сплошной среды; группа контактных элементов, описывающих взаимодействия между одно-, двух- и трехмерными элементами.
Результаты расчета могут отображаться на экране дисплея, в виде символьных графиков либо в таблицы числовых значений в текстовом файле. Реализованный в программном комплексе "PRADIS" математический аппарат позволяет получить широкий спектр выходных данных. Есіь возможность выводить в качестве результатов расчета кинематические параметры - положение исследуемого элемента (детали) в любой момент времени, линейные и угловые перемещения (как в глобальной, так и в локальных системах координат), скорости и ускорения узловых точек, передаточные отношения; силовые факторы — усилия и моменты в местах соединения элементов; параметры напряженно-деформированного состояния внутри деформированных элементов - главные и эквивалентные напряжения, деформации и скорости деформаций; энергетические показатели моделируемых процессов - перераспределение потоков энергии, мощности по узловым точкам конструкции. Все эти выходные характеристики можно получить практически для любого элемента, включенного в структуру модели [61].
Проверка адекватности математической модели автомобиля
В качестве исходных данных для математической модели использовалась конструкторская документация и результаты испытаний. После создания и настройки модели была проведена её идентификация как по частям, так и в составе автомобиля.
Апробация разработанной математической модели проводилась в два этапа. На первом этапе моделировались стандартные испытания подвесок автомобиля - определялись жесткостные, кинематические и эластокинематические характеристики. Результаты моделирования сопоставлялись с результатами стендовых испытаний, что показало хорошую сходимость для всех рассматриваемых режимов. Отдельные результаты приведены на рис. 25.
На втором этапе произведено сопоставление результатов расчетов разработанной математической модели автомобиля экспериментальным исследованиям характеристик плавности хода автомобиля под действием возмущающего воздействия, возбуждаемого различным дорожным покрытием.
Экспериментальные исследования проводились на скоростной кольцевой дороге автополигона ОАО «АВТОВАЗ» «Сосновка» - в условиях асфальтобетонного покрытия, и на испытательном треке ОАО «АВТОВАЗ» - на булыжном покрытии и единичных неровностях. Выбор режимов движения и дорожных условий определялся существующими отраслевыми стандартами методики испытаний автомобилей на плавность хода ОСТ 37.001.275-84 [70], ОСТ 37.001.291-84 [71] и РД 37.001-267-96 [87].
Экспериментальные исследования включали в себя проведение следующих типов дорожных испытаний: - движение по скоростной дороге (тип I) со скоростями V=60, 90, 120, 160 км/ч; - движение по булыжной дороге без выбоин (тип II) со скоростями V=30, 45, 60 км/ч; - движение по булыжной дороге с выбоинами (специального профиля) (тип III) со скоростями V=20, 40 км/ч; - проезд «малой» единичной неровности высотой h=45 мм, V=40, 60 км/ч; - проезд «большой» единичной неровности h=100 мм, V=20, 40 км/ч.
В процессе испытаний для каждого режима была выполнена серия из трех заездов. Переезд единичных неровностей осуществлялся правой и левой сторонами автомобиля поочередно (рис. 28, 29). Регистрируемым параметром выступали виброускорения в различных точках автомобиля (рис. 27): - на ступицах передних колес в вертикальном направлении; - на цапфах задних колес в вертикальном направлении; - на кузове над передней подвеской (стойка передней подвески) в вертикальном направлении; - на кузове над задней подвеской (опора задней подвески) в вертикальном направлении; - под сиденьем водителя (поперечина пола передняя) в вертикальном направлении; - под сиденьем заднего правого пассажира (поперечина пола средняя) в вертикальном направлении; - на сиденье водителя в вертикальном, поперечном и продольном направлениях; - на сиденье заднего правого пассажира в вертикальном, поперечном и продольном направлениях.
Скорость автомобиля контролировалась с помощью системы спутниковой навигации GPS. Для измерения и регистрации необходимых параметров применялся бортовой комплект аппаратуры АО "АВТОВАЗ" (рис. 30). Регистрация параметров с записью времени поступления данных выполнялась с аналого-цифрового измерительного комплекса MULTIDATA. Регистрирующая аппаратура располагалась на переднем пассажирском сиденье, человек-оператор - на заднем правом сиденье. При полной загрузке балласт располагался на заднем левом сиденье и полу кузова. Расположение людей и балласта в автомобиле соответствует методике, принятой на ОАО «АВТОВАЗ» [45]. На сиденье водителя и заднего правого пассажира замеры виброускорений проводились в направлении трех осей, и использовался комплект трехкомпонентных акселерометров FGP FA 3109 (Германия). В остальных местах замеры виброускорений проводились только относительно вертикальной оси с помощью акселерометров AT 1105 (Россия).
При проверке адекватности модели автомобиля проводилось сравнение величин вертикальных ускорений на ступицах колес и на салазках сиденья водителя, как при переезде единичных неровностей, так и при движении по дороге с различным типом покрытия, полученных в результате дорожных испытаний, с расчетными, и показывает хорошую сходимость результатов для данных режимов движения автомобиля.
В качестве критериев оценки адекватности модели при переезде единичной неровности, кроме сравнения по амплитудам виброускорений, также применена интегральная оценка процессов с целью определения рассогласования по времени.
Влияние потерь на трение в подвесках при движении по дороге с асфальтобетонным покрытием
На дороге с асфальтобетонным покрытием влияние величины потерь на трение на СКЗ виброускорений в центре колеса при движении в диапазоне скоростей от 20 до 120 км/ч незначительно (рис. 31). Однако, на скорости выше 120 км/ч влияние величины потерь неоднозначно.
Разброс СКЗ виброускорений от величины потерь на трение для вариантов А и В является максимальным для рассматриваемых точек и составляет в среднем 5%, тогда как разброс СКЗ от величины трения от наименьшего до наибольшего составляет 10%. Также наблюдается проявление резонансов в зоне скоростей выше 120 км/ч.
Изменение СКЗ виброускорений на сиденье водителя и пассажиров в диапазоне скоростей от 20 до 120 км/ч для различных значений потерь на трение ограничивается кривыми, соответствующими величине потерь для вариантов А и D (рис. 33). Следует отметить, что в диапазоне скоростей от 20 до 80 км/ч чем больше величина потерь на трение - тем ниже СКЗ виброускорений на сиденьях водителя и пассажиров.
Моделирование движения по дороге с булыжным покрытием обоих типов показало схожий характер поведения кривых СКЗ виброускорений, в частности, для диапазона скоростей от 20 до 40 км/ч. Как и следовало ожидать, величина виброускорений при движении по дороге с булыжным покрытием типа II несколько ниже, нежели при движении по покрытию типа III.
СКЗ виброускорений в центре колес тем меньше, чем больше величина потерь на трение в системе подрессоривания, что снижает вероятность отрыва колеса от дорожной поверхности. Диапазон изменения СКЗ виброускорений для булыжного покрытия типа II составляет 4,5.. .5% ниже нулевого трения; для булыжного покрытия типа III - 5,5.. .6% (рис. 34).
Характер изменения СКЗ виброускорений под сиденьем водителя от величины потерь на трение для различных типов дорог с булыжным покрытием прямо пропорционален: СКЗ виброускорений увеличиваются с ростом трения в подвеске (рис. 35). Интересно изменение СКЗ при движении по дороге типа II в точке под сиденьем водителя: в диапазоне скоростей от 30 до 45 км/ч величина трения в подвесках оказывает очень незначительное влияние на СКЗ виброускорений - разбег кривых составляет около 1% от нулевого трения, а для скоростей 20 и 60 км/ч - 9 и 6% соответственно. Аналогично поведение величин СКЗ виброускорений и для результатов расчетов движения по дороге типа III.
Рис. 34. СКЗ виброускорений центра колес: а) булыжное покрытие тип II; б) булыжное покрытие, тип III Для точек на сиденье водителя и пассажира также характерен минимум СКЗ виброускорений на скорости 30 км/ч и максимум - на 45 км/ч (рис. 36). Размах СКЗ виброускорений при движении на скорости 20 км/ч, по сравнению с точками под сиденьями, возрос и достигает 18 % для булыжного покрытия типа II и 15% для булыжного покрытия типа III от значений при нулевых потерях на трение. Однако, заметно характерное отличие: при величине потерь на трение в подвеске, равной 20% от нагрузки (вариант Е) СКЗ виброускорений достигают, а с дальнейшим ростом трения - и превышают СКЗ виброускорений при движении на скорости 45 км/ч.
При создании расчетной методики прогнозирования плавности хода легкового автомобиля учитывался набор требований, который условно можно разделить на несколько групп. В первую группу входят требования, предъявляемые к математической модели автомобиля в общем, и к ее элементам, в частности. Вторую группу образуют требования к проверке адекватности созданной модели: выбору критерия или критериев оценки, определение типов дорожных испытаний и формы подачи выходных данных. К третьей группе относятся требованиям к алгоритму обработки результатов эксперимента и расчета. Отдельной задачей является также выбор типа входного воздействия.
Наибольшее распространение получили расчеты для трех характерных случаев движения: через обособленные (единичные) неровности, по непрерывно чередующимся периодическим неровностям и по дорогам со случайным микропрофилем. Представление дорожной поверхности функциями синуса, косинуса, пилообразными и трапециевидными импульсными кусочно-линейными функциями [28, 75, 91] вполне применимо для приближенной оценки плавности хода автомобиля упрощенными математическими моделями. Однако колебания автомобиля, возникающие под воздействием типового возмущения, существенно отличаются от колебаний на реальном микропрофиле, в связи с чем, для достижения точности моделирования, математически возмущение необходимо представлять случайной функцией. С другой стороны, функция, описывающая внешнее воздействие, существенно зависит от используемой модели шины. Очевидно, что характер реального взаимодействия шины с дорожной поверхностью в случае представления шины упругим элементом, когда возмущающее воздействие передается через некоторую точку контакта с дорожной поверхностью вертикальным смещением, должен отличается от моделируемого, поскольку реальная шина не заполняет все впадины в зоне контакта. К тому же длина отпечатка непрерывно меняется при качении колеса вследствие изменяющейся из-за колебаний автомобиля деформации шины. В связи с этим Н.Н.Яценко предлагает учитывать сглаживающую способность шин в описании микропрофиля дорожной поверхности, дабы не усложнять колебательную систему, эквивалентную системе подрессоривания автомобиля [111]. Далее определяется корреляционная функция и спектральная плотность сглаженного микропрофиля. Аналогичный способ задания микропрофиля предлагает и А.А.Хачатуров [102]. Наилучшие результаты могут быть получены при использовании экспериментально определенных параметров дорожной поверхности. Современные программные пакеты также позволяют задавать возмущающее воздействие в виде трехмерной модели дорожной поверхности. Однако, это сопряжено с большими затратами временных и энергетических ресурсов.
