Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Актуальные вопросы исследования систем подрессоривалия наземных транспортных средств 10
1.1 Система подрессоривания в задачах динамики теории наземных транспортных средств 10
1.2 Анализ недостатков пассивных систем подрессоривания АТС 15
1.3 Обзор и классификация управляемых систем подрессоривания АТС 21
1.4 Обзор алгоритмов управления демпфирующими и упругими элементами полуактивных систем подрессоривания АТС 28
1.5 Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2 Математическая модель динамики апп с комбинированным управлением упруго демпфирующими элементами системы подрессоривания 41
2.1 Программный комплекс моделирования динамики механических систем ФРУНД 41
2.2 Математическая модель динамики АПП 46
2.3 Математическая модель динамики управляемой ГПР 66
2.4 Алгоритм комбинированного управления упруго демпфирующими элементами системы подрессоривания АПП 73
2.5 Выводы по главе 2 81
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование динамики АПП 83
3.1 Описание эксперимента. Обработка экспериментальных данных 83
3.2 Методика оценки адекватности математической модели динамики АПП 88
3.3 Выводы по главе 3 106
ГЛАВА 4 Расчетное исследование динамики апп с управляемой системой подрессоривания 107
4.1 Исследование стационарных режимов движения АПП по детерминированным профилям 107
4.2 Исследование стационарных режимов движения АПП по стохастическим профилям 114
4.3 Исследование нестационарных режимов движения АПП 126
4.4 Определение оптимальных значений параметров ГПР и системы управления подвеской 139
4.5 Выводы по главе 4 153
Заключение 155
Список сокращений 157
Список литературы
- Обзор и классификация управляемых систем подрессоривания АТС
- Обзор алгоритмов управления демпфирующими и упругими элементами полуактивных систем подрессоривания АТС
- Математическая модель динамики управляемой ГПР
- Исследование нестационарных режимов движения АПП
Обзор и классификация управляемых систем подрессоривания АТС
В теории наземных транспортных средств задачи динамики рассматривались, начиная с самого раннего периода. Еще в работах Е. А. Чудакова [119], Я. М. Певзнера [82] и Б. С. Фалькевича [114] освещены вопросы управляемости, устойчивости и плавности движения (или хода) автомобиля.
Управляемость и устойчивость движения являются составляющими активной безопасности АТС, в то время как плавность хода часто ассоциируют с комфортностью. Между тем плавность хода также довольно сильно влияет на безопасность АТС, так как от нее в значительной мере зависит степень утомляемости водителя и целостность агрегатов, элементов конструкции автомобиля.
Под плавностью хода АТС следует понимать его свойство обеспечивать виброзащиту водителя, пассажиров, перевозимых грузов и собственных агрегатов от воздействия вибраций, возникающих при движении [75].
Управляемость АТС - свойство подчиняться траєкторному и курсовому управлению. Под траекторным управлением понимается управление автомобилем по сохранению или изменению направления скорости движения, под курсовым управлением понимается управление автомобилем по ориентации его продольной оси. Устойчивость АТС - свойство сохранять в заданных пределах независимо от скорости движения и действия внешних, инерционных и гравитационных сил направление скорости движения и ориентацию продольной и вертикальной осей при определенном управлении, закрепленном в свободном руле [73]. Понятия управляемость и устойчивость взаимосвязаны, поскольку они определяются в основном одними и теми же конструктивными параметрами АТС: компоновкой, особенностями рулевого управления, характеристиками шин, параметрами системы подрессоривания.
Система подрессоривания АТС представляет собой совокупность элемен тов (направляющих, упругих и демпфирующих), связывающих подрессоренные части (несущую систему - раму или кузов) с неподрессоренными частями (колесами или мостами), и предназначенных для [51, 54, 76, 79, 104]: уменьшения динамических нагрузок, передающихся подрессоренным частям при движении по неровностям поверхности дороги; демпфирования колебаний подрессоренных и неподрессоренных частей, постоянно генерируемых при движении по неровностям поверхности дороги, вследствие наличия упругих элементов и шин; передачи сил и моментов, действующих между подрессоренными и неподрессоренными частями; обеспечения требуемой кинематики движения неподрессоренных частей относительно друг друга и относительно подрессоренных частей; противодействия крену подрессоренных частей в продольной и поперечной плоскостях; обеспечения стабильного контакта колес с поверхностью дороги через эластичные шины. Направляющие элементы - элементы системы подрессоривания, передающие силы и моменты, действующие между подрессоренными и неподрессоренными частями АТС, и определяющие характер связи неподрессоренных частей между собой и подрессоренными частями, а также кинематику их относительного движения. Упругие элементы - элементы системы подрессоривания, которые воспринимают весовую нагрузку от подрессоренной массы, за счет упругой деформации осуществляют снижение динамических нагрузок, передаваемых раме или кузову. Демпфирующие элементы - элементы системы подрессоривания, служащие для демпфирования колебаний подрессоренных и неподрессоренных частей АТС.
Система подрессоривания (или подвеска) наряду с пневматическими шинами определяет плавность хода АТС, а также оказывает значительное влияние на другие эксплуатационные свойства: управляемость, устойчивость, топливную экономичность, проходимость, производительность и т.д. Именно подвеска кузова, представляющая собой сложную пространственную динамическую систему, явля ется наиболее эффективным виброзащитным звеном между возбудителем колебаний со стороны дороги и подрессоренной массой. Поэтому непрерывно ведутся работы, направленные на изучение процессов в элементах системы подрессорива-ния, изыскание методов и средств улучшения ее характеристик, которые отражены в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных исследователей.
В работах Р. В. Ротенберга [104], А. А. Силаева [111], А. А. Хачатурова и др. [33] подробно рассмотрены колебания колесных машин, вызываемые неровностями дороги и оказывающие значительное влияние на среднюю скорость движения и плавность хода. Для исследования динамики используются одноопорные расчетные схемы транспортных средств, принимая допущение о несвязанности колебаний подвесок, и плоские для исследования колебаний в продольной или поперечной плоскостях. Выбор относительно простых расчетных схем объясняется сложностью получения аналитического решения уравнений динамики более сложных систем.
Методы и результаты экспериментальных исследований плавности хода, определения параметров и характеристик систем подрессоривания легковых и грузовых автомобилей отражены в работах Н. Н. Яценко, О. К. Прутчикова [124, 125], Я. М. Певзнера и др. [51], И. Н. Успенского и А. А. Мельникова [113].
Основы теории, расчет, результаты испытаний, конструкции отдельных элементов систем подрессоривания, таких как листовая, пневматическая и гидропневматическая рессоры, гидравлические, магнитореологические и электрореологические амортизаторы, представлены в трудах И. Г. Пархиловского [79], Р. А. Акопяна [3], Я. М. Певзнера, А. М. Горелика [81], А. Д. Дербаремдикера [32], Й. Раймпеля [100, 102], М. М. Жилейкина, Г. О. Котиева, Е. Б. Сарача [40, 41, 45], J. С. Dixon [133], W. Bauer [129] и др.
Обзор алгоритмов управления демпфирующими и упругими элементами полуактивных систем подрессоривания АТС
Результаты расчета колебательной системы демонстрируют существенное снижение амплитуды вертикальных перемещений подрессоренной массы в области ее резонанса. При этом обеспечивается коэффициент динамичности, равный 3,2.
А. С. Дьяковым [37] было проведено расчетное и экспериментальное исследование воздушного демпфирования в резинокордных пневматических рессорах с механическим и микропроцессорным управлением. В процессе коммутации полостей при перетекании газа происходит диссипация энергии колебаний, что придает дополнительные демпфирующие свойства упругому элементу. Используемый в работе алгоритм управления имеет следующий вид: В данном случае выравнивание давлений происходит в положении статического равновесия. Результаты дорожных испытаний автобуса ВЗТМ-32731 показали снижение собственной частоты колебаний кузова с 2,2 до 1,4 Гц и среднеквад-ратического значения его вертикального ускорения на 30-40 % в диапазоне частот 2-10 Гц при использовании рессор с коммутацией полостей по алгоритму (14).
В работах Е. Е. Прокопова и В. И. Чернышева [80, 97] предложена конструкция двухкамерного пневматического амортизатора, реализующая алгоритм управления упругостью по схеме подобной стратегии управления гидравлическим амортизатором с двумя уровнями сопротивления (SH 2-states (2)).
Близкий по своей сути алгоритм был исследован в работах Ал. В. Подзо-рова, А. С. Горобцова, М. В. Ляшенко и др. [86, 158, 159] на пространственных моделях автобуса и автомобиля повышенной проходимости, разработанных в программном комплексе ФРУНД.
Разработке системы управления упругостью двухполостной пневматической рессоры посвящены работы А. С. Горобцова, А. С. Олейникова и А. С. Дьякова [17, 36, 68]. Авторами предложен алгоритм квазиоптимального дискретного управления упругостью рессоры, целью которого является максимально приблизиться к эффективности оптимального алгоритма при использовании в качестве входного параметра системы управления только давление в рессоре. Под оптимальным алгоритмом в данном случае понимается двухступенчатый алгоритм "skyhook" примененный к упругому элементу (15). Стендовые испытания одно-опорной колебательной системы с квазиоптимальным дискретным управлением упругостью рессоры при гармоническом кинематическом возбуждении показали, что эффективность предлагаемого алгоритма наблюдается в основном в области резонанса подрессоренной массы. Пиковые значения спектральной плотности вертикального ускорения подрессоренной массы на резонансной частоте 1,3 Гц снижаются в 3-4 раза.
Моделированию рабочих процессов двухкамерной пневматической рессоры с кратковременной коммутацией объемов посвящена работа Р. Н. Хамитова, Г. С. Аверьянова и А. Б. Корчагина [117]. В данной работе предложен алгоритм управления, согласно которому выравнивание давления в полостях происходит в момент смены знака скорости деформации рессоры. При этом в работу включается дополнительная полость, что приводит к резкому изменению восстанавливающей силы. После выравнивания давления дополнительная полость отключается, и полный ход рессоры происходит при одной рабочей полости. Данный алгоритм может быть описан следующим образом: м«, при І = О,
Б. А. Калашниковым [49, 50] приведено обоснование способа гашения колебаний подрессоренной массы на основе дискретной коммутации полостей рессоры в амплитудных положениях ее деформации. Автором отмечается, что для придания рессоре предельных диссипативных свойств на уровне коэффициента апериодичности // = 0,45...0,5 необходимо иметь соотношение основной и дополнительной газовых полостей, равное один к четырем.
Попытка систематизировать исследования в области динамики многополостных упругих элементов и выявить оптимальные алгоритмы коммутации полостей, обеспечивающие повышение виброзащитных свойств пневматических рессор была предпринята А. В. Поздеевым, В. В. Новиковым и др. [48, 64, 93, 103]. Авторами была получена формула обобщенной упругодемпфирующей характеристики двухполостной пневматической рессоры, с помощью которой были синтезированы 30 различных алгоритмов коммутации полостей. В результате выявлено четыре оптимальных алгоритма по отдельным показателям, среди которых алгоритмы (14), (15), (16), а также новый алгоритм, при котором сообщение полостей происходит при достижении амплитуды деформации рессоры постоянной величины. Условия коммутации при этом могут быть описаны следующим образом: В результате теоретических и расчетных исследований установлено [93], что по совокупности показателей качества виброзащитной системы, таких как величина абсолютных перемещений и ускорений подрессоренной массы в зоне низкочастотного резонанса, величина потерь энергии в цикле колебаний алгоритм (17) является оптимальным.
Система подрессоривания наряду с пневматическими шинами определяет плавность хода транспортного средства, а также оказывает значительное влияние на другие эксплуатационные свойства, прежде всего связанные с безопасностью: управляемость и устойчивость движения. В связи с этим разработке и исследованию систем подрессоривания уделяется значительное внимание.
Используемые в настоящее время системы подрессоривания в подавляю 39 щем большинстве имеют обычные пассивные упругие и демпфирующие элементы, характеристики которых инвариантны времени. Результаты многочисленных исследований динамики наземных транспортных средств показывают, что потенциальные возможности таких систем подрессоривания в удовлетворении растущих требований к плавности хода весьма ограниченны и практически достигли своего предела. Это обусловлено противоречивыми требованиями, предъявляемыми к системе подрессоривания со стороны плавности хода, управляемости и устойчивости в широком спектре эксплуатационных режимов движения. В связи с этим пассивные системы подрессоривания сдерживают дальнейшее повышение виброзащиты водителя, пассажиров, перевозимых грузов, собственных агрегатов транспортного средства и как следствие препятствуют росту эксплуатационных скоростей его движения.
Одним из путей преодоления недостатков пассивных систем подрессоривания является применение различных упругих и демпфирующих элементов с управляемыми характеристиками. Среди существующих вариантов управляемых систем подрессоривания на сегодня наибольший интерес представляют полуактивные системы, являющиеся наиболее оптимальными с точки зрения повышения плавности хода (преимущество перед адаптивными системами), величины энергопотребления, сложности конструктивного исполнения и безопасности использования (преимущество перед активными системами).
Эффективность работы управляемой системы подрессоривания во многом определяется алгоритмом управления. Обзор алгоритмов управления упругими и демпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания АТС позволил выявить потенциально наиболее перспективные
Математическая модель динамики управляемой ГПР
Для проверки адекватности разработанной математической модели динамики АПП реальному объекту использовались результаты дорожных испытаний автомобиля, оснащенного пассивной системой подрессоривания. Дорожные испытания были проведены в соответствии с ОСТ 37.001.275-84 (Методы испытаний на плавность хода) [75] на четырех участках дорог: трех участках с твердым покрытием и на одном грунтовом участке с периодической составляющей длиной волны 15 м и амплитудой 25 мм.
Характеристики грунтового участка соответствовали дороге удовлетворительного состояния со средним значением оценочного показателя дорог 4 =0,07 [78]. В качестве испытательных участков дорог с твердым покрытием использовались: цементобетонная дорога (динамометрическая), булыжная мощеная дорога без выбоин (ровный булыжник), булыжник с выбоинами (разбитый булыжник). Испытательные участки дорог с твердым покрытием имели характеристики, соответствующие характеристикам испытательных участков дорог автополигона НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ". Номенклатура и основные характеристики испытательных участков дорог приведены в таблице 2.
Технические характеристики объекта испытаний соответствовали характеристикам динамической модели АПП описанной в параграфе 2.2. Испытания проводились при массе автомобиля с полной нагрузкой 7006 кг. Непосредственно перед началом испытаний агрегаты и шины автомобиля были прогреты до рабочих температур пробегом по участку цементобетонной дороги с эксплуатационной скоростью в течение 15 минут для исключения влияния переходных процессов от нагрева жидкости и газа в ГПР, нагрева газа в шинах и т.д. на измеряемые параметры. Объект испытаний представлен на рисунке 37.
Скорость движения АПП по испытательным участкам дорог и временной интервал записи измеряемых параметров соответствовали значениям, представленным в таблице 3.
Начало записи параметров соответствовало моменту въезда АПП на испытательный участок дороги колесами всех осей. Окончание записи происходило до схода АПП с испытательного участка дороги колесами передней оси.
Измерительный комплекс позволял измерять ускорение, давление и линейное перемещение с относительными погрешностями ± 1, ± 2 и ± 5 % соответственно. Результаты измерений в ходе каждого испытания записывались в блоке сбора данных в виде текстовых файлов (файлы в формате .txt), которые использовались для дальнейшего анализа. Файлы представляют собой построчную запись параметров с частотой 200 Гц. Форма файла представлена на рисунке 38.
После проведения заездов была осуществлена обработка экспериментальных данных. Анализ результатов измерений осуществлялся с помощью интерфейса ПК ФРУНД, позволяющего производить различную обработку данных - строить временные реализации, спектральные плотности (спектры мощности), гистограммы распределения процессов, графики СКЗ и т.д.
Форма задания параметров обработки экспериментальных данных Таким образом были получены экспериментальные графики спектральной плотности соответствующих параметров и СКЗ вертикального ускорения подрессоренных масс АГШ в заданных точках, примеры которых приведены на рисунке 41.
Оценка адекватности математической модели динамики АПП реальному объекту, оснащенному пассивной системой подрессоривания, была осуществлена посредством сравнительного анализа параметров полученных при идентичных условиях в ходе дорожных испытаний и в результате математического (компьютерного) моделирования.
Алгоритм сравнительного анализа непрерывных выборок Далее описана методика оценки адекватности математической модели динамики АПП реальному объекту, оснащенному пассивной системой подрессо-ривания, по указанным выше параметрам, которые были получены при прямолинейном движении АТС с постоянной скоростью по испытательным участкам дорог в результате расчета и эксперимента.
Для начала проведем предварительную обработку выборок. Содержание предварительной обработки в основном состоит в отсеивании грубых погрешностей измерения или погрешностей, неизбежно имеющих место при подготовке цифрового материала исследования. Для проведения отсева аномальных значений использовалось правило Томпсона (критерий Рошера) [15].
Таким образом, отбракованными оказались 21 значение из 10001 в расчетной реализации и 17 значений из 10001 в экспериментальной реализации.
Далее проведем проверку расчетной и экспериментальной выборок на соответствие закону нормального распределения посредством критерия Пирсона (критерий согласия %2) [15, 72]. Критерий Пирсона отвечает на вопрос, с одинаковой ли частотой встречаются значения признака в эмпирическом (расчетном или экспериментальном) и теоретическом (нормальном) распределениях. Для нахождения значения критерия согласия % используется формула:
Исследование нестационарных режимов движения АПП
Расчетное исследование динамики АПП продемонстрировало существенную эффективность системы подрессоривания с комбинированным управлением упруго демпфирующими элементами. В результате моделирования динамики АПП с управляемой системой подрессоривания установлено следующее: при движении по гармоническим профилям в режимах, вызывающих резонансные вертикальные и угловые колебания подрессоренных масс в продольной и поперечной плоскостях, снижение амплитуды вертикального перемещения и ускорения рамы происходит в 3,0 и 2,7 раза, углового перемещения и ускорения в продольной плоскости - в 3,2 и 2,7 раза, углового перемещения и ускорения в поперечной плоскости - в 1,7 и 1,5 раза соответственно; при преодолении единичной неровности на скорости 5 км/ч модуль максимального вертикального перемещения кабины снижается в 2,9 раза, ускорения -в 1,9 раза, на скорости 25 км/ч перемещения - в 2,6 раза, ускорения - в 1,5 раза, на скорости 50 км/ч перемещения - в 2,5 раза, ускорения - в 1,4 раза; при прямолинейном движении по стохастическим профилям снижение СКЗ вертикального ускорения подрессоренных масс в широких диапазонах частот 0,2-80 и 0,7-22,4 Гц в зависимости от участка дороги составляет 32,2-53,7 и 36,1-52,8 % соответственно, а по отдельным 1/3 октавным полосам частот - 3,2-87,9 %; при испытании "поворот Rn=35MM и "переставка Sn=20MM не выявлено негативного влияния управляемой системы подрессоривания на эксплуатационные свойства АПП, связанные с безопасностью движения, такие как управляемость и устойчивость по критериям ГОСТ 31507-2012; при испытании "змейка" снижение СКЗ вертикального ускорения подрессоренных масс в широких диапазонах частот 0,2-80 и 0,7-22,4 Гц составляет 16,4-20,1 и 16,2-24,3 % соответственно, а по отдельным 1/3 октавным полосам частот - 1,2-45,0 %, при этом модуль максимального поперечного крена рамы снижается на 12,4 %; при испытании "торможение" и "разгон" модуль максимального углового перемещения рамы в продольной плоскости снижается на 27,0 и 19,0 %, углового ускорения-на31,9и21,1 % соответственно.
Таким образом, можно считать доказанной возможность существенного повышения плавности хода АПП при сохранении его управляемости и устойчивости движения путем комбинированного управления упругодемпфирующими элементами системы подрессоривания.
По результатам расчетного исследования динамики АПП были определены оптимальные значения параметров ГПР и системы управления подвеской с учетом комплекса эксплуатационных свойств автомобиля, что может являться исходными данными для создания относительно простых и высокоэффективных ГПР с управляемыми характеристиками.
На основе проведенной работы выделим основные результаты, которые были достигнуты в соответствии с задачами, поставленными перед данным исследованием.
Установлено, что одним из путей преодоления недостатков пассивных систем подрессоривания является применение управляемых систем, среди которых на сегодня наибольший интерес представляют полуактивные системы подрессоривания, являющиеся наиболее оптимальными с точки зрения повышения плавности хода, величины энергопотребления, сложности конструктивного исполнения и безопасности использования. Эффективность работы управляемой системы подрессоривания во многом определяется алгоритмом управления.
Разработана пространственная многомассовая математическая модель динамики АПП, которая включает основные узлы и агрегаты автомобиля, точно воспроизводит геометрию передней и задней подвесок реального объекта. На основе результатов дорожных испытаний АПП с пассивной системой подрессоривания путем сравнения расчетных и экспериментальных динамических параметров автомобиля установлено, что относительная погрешность моделирования не превышает 15 %. Для целей исследования эффективности работы управляемой системы подрессоривания разработанную математическую модель динамики АПП следует считать адекватной объекту-оригиналу.
Разработана математическая модель динамики управляемой ГПР в составе модели динамики АПП, позволяющая воспроизвести практически любой алгоритм управления упругими и демпфирующими элементами системы подрессоривания, а также учесть инерционность системы управления подвеской.
Доказано с помощью методов имитационного моделирования, что предлагаемый алгоритм комбинированного управления упругодемпфирующими элементами системы подрессоривания обеспечивает повышение плавности хода АПП в зависимости от режимов и условий движения от 16,2 до 53,7 % при сохранении его управляемости и устойчивости. Особенностью алгоритма является одновременное управление упругими и демпфирующими свойствами системы подрессоривания с учетом воздействия кинематического и динамического возмущений.
Путем математического моделирования динамики АТС с учетом комплекса его эксплуатационных свойств были определены оптимальные значения параметров ГПР и системы управления подвеской для АПП с колесной формулой 4x4 и массой с полной нагрузкой 7 т, что позволило сформулировать технические требования к разрабатываемым управляемым системам подрессоривания.
Логическим продолжением данного диссертационного исследования является разработка опытного образца гидропневматической рессоры с системой комбинированного управления упругими и демпфирующими характеристиками по предлагаемому алгоритму и проведение стендовых, а затем и полигонных испытаний эффективности ее работы.