Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ общих проблем повышения плавности хода автомобилей 12
1.1 Обзор и анализ работ в области исследования и совершенствования автомобильных систем подрессоривания 12
1.2 Современное состояние и тенденции развития автомобильных систем подрессоривания 15
1.3 Схема и конструктивные особенности подвески перспективного автомобиля КАМАЗ-
Выводы по главе I 26
ГЛАВА 2. Математическая модель релаксационного гидроамортизатора и расчётное определение его характеристик 29
2Л Уравнения динамики работы релаксационного амортизатора 29
2 Л Л. Уравнения расходов через дроссели и клапаны 29
2Л .2. Определение давлений в полостях гидроамортизатора 34
2.2 Результаты расчётных исследований 38
2.3 Модель релаксационного амортизатора в программе плавности хода 41
Выводы по главе 2 49
ГЛАВА 3. Экспериментальное определение характеристик амортизационной стойки автомобиля камаз-2э5326 50
3.1 Экспериментальный стенд и измерительное оборудование 50
3.2 Оценка погрешности измерений 54
3.3 Определение функциональных характеристик амортизационной стойки и доводка их до требуемых з
3.3.1 Доводка скоростных характеристик 56
3.3.2 Проверка на герметичность 63
3.4 Тепловые испытания 64
3.4.1 Исследование тепловой стабильности характеристик 64
3.4.2 Исследование тепловой напряжённости
3.5 Циклические испытания 74
3.6 Сравнение расчётных характеристик с результатами эксперимента 83
Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. Выбор дорожных условий для расчетных исследований плавности хода. параметры плавности хода. математическая модельколебаний автомобиля 85
4.1 Выбор дорожных условий для расчётных исследований плавности хода 85
4.1.1. Искусственные неровности 85
4.1.2. Дороги со случайным профилем 87
4.1.2.1 Генерирование реальных дорог по заданной корреляционной функции 89
4.1.2.2 Генерирование булыжной дороги ровного замощения 92
4.2 Параметры плавности хода 93
4.2.1. Параметры плавности хода автотранспортных средств, регламентированные
ГОСТ 12.1.012-90 и ОСТ 37.001.291-84 94
4.2.2. Параметры плавности хода, регламентиро ванные РТМ ВЗ-1611-83 98
4.3 Математическая модель автомобиля
как колебательной системы 101
4.4. Задание характеристик подвески и дорожного профиля .104
4.4.1. Задание характеристик подвесок мостов 104
4.4.2. Задание характеристик шин 107
4.4.3. Задание характеристик системы подрессоривания кабины и сиденья водителя 108
4.4.4. Определение знака при задании координат
взаимного расположения колеблющихся масс 108
4.4.5. Задание дорожного профиля 109
Выводы по главе 4 ПО
ГЛАВА 5. Результаты расчетных исследований плавности хода 111
5.1 Исходные данные модификаций автомобилей КАМАЗ (серийный, «спортивный», перспективный с релаксационным амортизатором) 111
5.2 Плавность хода серийного и спортивного образцов автомобиля КАМАЗ в различных дорожных условиях 117
5.2.1 Искусственные неровности 118
5.2.2 Дороги со случайным профилем 119
5.3 Определение рациональных характеристик релаксационного амортизатора 121
5.3.1 Выбор характеристик из условий тряски и на дорогах со случайным профилем 122
5.3.2 Сравнительная оценка плавности хода перспективного автомобиля КАМАЗ с серийным и спортивным образцами 128
Выводы по главе 5 129
Выводы 131
Список литературы 1
- Современное состояние и тенденции развития автомобильных систем подрессоривания
- Уравнения расходов через дроссели и клапаны
- Исследование тепловой напряжённости
- Плавность хода серийного и спортивного образцов автомобиля КАМАЗ в различных дорожных условиях
Современное состояние и тенденции развития автомобильных систем подрессоривания
В развитии требований к автомобильным системам подрессоривания в настоящее время имеют место следующие тенденции: повышение требований к параметрам плавности хода, снижение виброускорений как для пассажиров, так и для перевозимого груза при одновременном повышении средних скоростей движения, как для коммерческих, так и для внедорожных и спортивных автомобилей; повышение требований к устойчивости и управляемости автомобиля, которая непосредственно связана с безопасностью движения.
Эти требования нередко противоречат друг другу, так как при движении по дорогам среднего качества (асфальт с выбоинами, брусчатка, ровный булыжник, «бельгийская мостовая» и т.п.) для обеспечения комфорта желательно иметь мягкую подвеску с минимальным сопротивлением амортизатора на ходе сжатия. Но подобная подвеска способствует потере контакта колеса с дорогой, даёт значительный крен при повороте и «клевки» при разгоне и торможении. Кроме того, при движении в тяжёлых дорожных уело 16 виях желательно иметь большое сопротивление амортизатора на ходе сжатия для увеличения энергоёмкости подвески и снижения вероятности пробоев. Поэтому в настоящее время при проектировании систем подрессори-вания грузовых автомобилей имеют место следующие мероприятия: уменьшение сухого (кулоновского) трения в подвеске, что достигается путём применения малолистовых рессор, использованием фторопластовых прокладок между листами рессор, переход на пружинные подвески; применение амортизаторов, приспосабливающихся к различным режимам движения (нагрузке автомобиля, дорожным условиям и т.д.) за счёт варьирования параметрами демпфирования, которые меняются автоматически, либо водителем. применение жёстких пружин и амортизаторов с регрессивной характеристикой сопротивления для шоссейных автомобилей. Данные меры, не снижая плавности хода на высококачественных дорогах, повышают устойчивость автомобиля на высоких скоростях, препятствуют отрыву колёс; применение мягких длинноходовых подвесок с энергоёмкими амортизаторами для внедорожных и спортивных автомобилей.
Изменение характеристик демпфирующих элементов подвески является весьма перспективным путём для получения оптимальных параметров плавности хода в различных дорожных условиях. В книге [39] А.Д. Дебарем-дикером показано, что при неизменной характеристике гидроамортизатора невозможно повысить плавность хода во всём диапазоне скоростей движения автомобиля даже при одинаковой высоте и постоянной длине неровностей.
В [40] тот же автор пишет: «Известным недостатком такой системы (с постоянным демпфированием) является усиление воздействий неровностей дороги на подрессоренную массу в межрезонансных и зарезонанс-ных полосах частот, что неблагоприятно отражается на эксплуатационных свойствах автомобиля и, прежде всего, на плавности хода и зависимых от нее экономичности, производительности и т. д. Причинами усиления воздействия неровностей дороги является ... неупругое сопротивление амортизаторов, рабочая (демпфирующая) характеристика которых остается практически одинаковой в различных дорожных условиях.
В связи с отмеченными недостатками управление демпфирующей характеристикой неупругого сопротивления амортизаторов в зависимости от действительных колебательных режимов работы подвески является, наряду со снижением и нормированием трения в направляющем устройстве, одним из основных путей ее совершенствования».
Изменение демпфирующих характеристик в зависимости от дорожных условий может производиться как регулировкой со стороны водителя, так и автоматически (адаптивные системы).
Так одна из моделей гидроамортизаторов фирмы Rancho позволяет изменять усилие срабатывания клапана сжатия не выходя из кабины, путём подачи давления воздуха и контроля его по манометру (рис. 1.1). Другая модель той же фирмы позволяет осуществлять эту же операцию вручную, вращая специальный кран (рис. 1.2, а). У амортизаторов фирмы «Копі», серия «Sport» аналогичным образом регулируется усилие срабатывания клапана отбоя (рис. 1.2 б).
Однако подобные технические решения, значительно усложняя и удорожая конструкцию амортизатора, не обладают свойством автоматической приспосабливаемости к дорожным условиям. Это делает их неэффективными при резкой смене дорожных условий (например, переезд через трамвайные пути). Кроме того, управление такими амортизаторами требует внимания и усилий со стороны водителя. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется адаптивным амортизаторам, автоматически меняющим свои характеристики в зависимости от дорожных условий либо нагрузки на автомобиль.
Уравнения расходов через дроссели и клапаны
В результате расчетных исследований был выявлен ряд закономерностей, присущих релаксационному гидроамортизатору.
На рис. 2.3 приведены характерные рабочие диаграммы релаксационного амортизатора и амортизатора, у которого не учитывалось сжатие жидкости (назовем его обычным амортизатором) при ходе штока 100 мм и частоте 1.92 Гц, что соответствует максимальной скорости штока 0,63 м/с. Из диаграмм видно, что характер нарастания усилия на штоке релаксационного амортизатора заметно отличается как на ходе сжатия, так и на ходе отбоя.
На ходе отбоя характеристика R = /(хшт) близка к характеристике обычного амортизатора, особенно на второй половине хода штока, где они практически совпадают. Расхождение характеристик в начале хода отбоя объясняется податливостью жидкости при ходе сжатия. Так как дроссель и клапан хода сжатия имеют маленькую проводимость, то давление в полости I (рис. 1.8, 2.1) к концу хода сжатия не успевает сравняться с давлением в компенсационной камере 3. Сжатая жидкость действует на шток до тех пор, пока не спадет избыточное давление в полости I (давление падает как за счет высвобождения объема на ходе отбоя, так и за счет перетекания жидкости в компенсационную камеру через дроссель сжатия 6 и клапан сжатия 2. После того, как спадет избыточное давление, рабочая диаграмма хода отбоя релаксационного гидроамортизатора практически совпадет с рабочей диаграммой обычного гидроамортизатора.
Характеристика R = /(хшт) релаксационного амортизатора на ходе сжатия значительно отличается от характеристики обычного амортизатора. Благодаря большому объёму жидкости, а также из-за того, что проводимости дросселя 6 и клапана 4 малы, характеристика R = /(хшт) хода сжатия релаксационного амортизатора определяется в основном упругими свойствами жидкости. Из рис. 2.3 видно, что характеристика хода сжатия релаксационного амортизатора является в большой степени линейной упругой характеристикой сжатия жидкости и имеет значительные расхождения с диаграммой, не учитывающей сжатие жидкости. На рис. 2.4 приведены рабочие диаграммы амортизатора при различных амплитудах, но одинаковой максимальной скорости штока, равной 1,7 м/с. При амплитуде перемещений штока около 2 см, что характерно для движения по высокочастотному профилю, усилие на ходе сжатия достигает только 10 кН в конце хода. Для движения по разбитым дорогам с большой высотой неровности характерны большие амплитуды перемещения колёс. В этих условиях сопротивление на штоке будет достигать максимума уже близко к середине хода, то есть в статическом положении, где требуется максимальное гашение колебаний корпуса автомобиля. Следовательно релаксационный амортизатор лучше приспосабливается к различным дорожным условиям, чем обычный.
Поведение релаксационного гидроамортизатора на ходе отбоя практически не отличается от обычного амортизатора.
Таким образом, проведенные расчетные исследования показали, что расчет усилия на штоке релаксационного амортизатора традиционными методами (по скоростной характеристике) является неприемлемым. Поэтому для расчета условия на штоке амортизатора в программе плавности хода была создана упрощенная математическая модель релаксационного амортизатора, позволяющая учесть отклонения характеристики этого амортизатора от статической.
Использовать в программе расчета плавности хода полную гидродинамическую модель релаксационного амортизатора было признано нецелесообразным по причине ее значительного размера и длительного времени счёта. Поэтому была создана упрощенная модель расчета гидродинамики амортизатора на основе теории линейных передаточных функций, в которой дополнительно к допущениям принятым в полной модели амортизатора, были приняты следующие допущения:
Исследование тепловой напряжённости
Первая АС, поступившая на испытания, была полностью собрана и заправлена рабочей жидкостью АМГ-10А в соответствии с техническими требованиями чертежа 30189-32-0206 СБ, её скоростная характеристика при температуре 90С приведена на рис. 3.5. Анализ показал, что сила сопротивления гидроамортизатора на ходах сжатия и отбоя близка к первоначальным требованиям, но значительно превышает требования по плавности хода автомобиля, полученные позднее. Так при ходе сжатия на дроссельном участке усилие на штоке составляло 9,0 кН (допустимый диапазон 7,1±2,2 кН), а по плавности хода необходимо усилие, равное 0,5... 1,0 кН.
После -200 циклов испытаний сила сопротивления АС резко снизилась. При скорости 0,4 м/с усилие отбоя составляло 4,35 кН вместо 11,0 кН. При разборке было обнаружено разрушение алюминиевой прокладки, уплотняющей стык между сопряженными фасками гайки и поршня. Ряд конструктивных решений уплотнения этого соединения, таких как установка стального, медноасбестового, резинового и фторопластового колец на фаску не дали положительного эффекта по причине их разрушения происходящего из-за большого радиального зазора между гайкой и поршнем. Поэтому конструкция была переработана в направлении уменьшения радиального зазора и установки в канавке гайки резинового уплотнительного кольца (рис. 3.6). Указанная конструкция обеспечила работоспособность уплотнения стыка гайки и поршня и была реализована на всех стойках. При разборке было обнаружено разрушение поршня-разделителя (см. рис. 3.7), ход которого был выбран полностью. Кроме того, возвратная пружина, изготовленная из стали 60С2А, имела усадку более 10 мм.
Причинами посадки разделителя на упор были: неблагоприятное стечение допусков, перелив рабочей жидкости и её большое тепловое расширение. При расчете внутренних объемов стойки закладывался коэффициент объёмного расширения рабочей жидкости 8-Ю"4 1/С, характерный для большинства минеральных масел. Однако для жидкости АМГ-10 согласно [83] коэффициент объёмного расширения для давлений от 0,1 до 20 МПа составляет (9,5...8,9)-10" 1/С. Превышение объема за счет увеличенного коэффициента при нагревании до 200С достигает 50 см .
Поэтому с целью исключения посадки разделителя на упор была применена всесезонная амортизационная жидкость АЖ-12Т, имеющая коэффициент объёмного расширения 7,82-10" 1/С [83]; изменена редакция технических требований по сборке АС. Согласно новым требованиям крышка сразу заворачивается до упора, обеспечивая дополнительный резерв более 15 мм хода разделителю; а также заменён материал пружины на 50ХФА вместо 60С2А.
Эти изменения были реализованы на всех стойках, отправленных на АО «КАМАЗ». С целью снижения сопротивления АС до требуемого по плавности хода были выполнены следующие мероприятия 28 J
Разрушенный поршень-разделитель а) на ходе сжатия увеличены диаметры дроссельного отверстия в пе регородке между полостью сжатия и компенсационной полостью с 1 до 2,1 мм, диаметр входного отверстия предохранительного клапана хода сжатия с 4 до 4,5 мм и уменьшено с (670±67) до (510±44) Н усилие предварительного поджатия пружины клапана за счет установки меньшего количества про кладок; б) на ходе отбоя увеличен диаметр входного отверстия предохрани тельного клапана отбоя с 7 до 8 мм и уменьшено усилие его предваритель ного поджатия с (78±7,8) до (49±0,98) Н, увеличены с 5,5 до 8 мм диаметры каждого из 2-х выходных отверстий клапана.
Реализация указанных мероприятий позволила обеспечить сопротивление отбоя всех АС требуемое по плавности хода (рис. 3.8). Однако на ходе сжатия сопротивление АС составляло 14 кН при V=1,00 м/с, что на 200% выше требуемого. На скорости V 1,21 м/с не наблюдалась стабилизация усилия, характерная для клапанного участка (кривая 1).
Проведённые расчёты показали, что причиной этого явилось слишком большое сопротивление перепускных каналов в поршне, которое вызывало перепад давлений до 1,0 МПа при скорости V=l,21 м/с или повышение сопротивления АС до 730 Н (-730 кг). Для уменьшения сопротивления перепускных каналов были увеличены диаметры 12 входных отверстий перепускного канала с 5 до 8 мм, а в самом поршне дополнительно просверлены 8 отверстий диаметром 5 мм (рис. 3.9). Данное мероприятие позволило снизить перепад давлений на поршне при ходе сжатия и обеспечить требуемую по плавности хода характеристику (рис. 3.8, кривая 2).
Плавность хода серийного и спортивного образцов автомобиля КАМАЗ в различных дорожных условиях
Исследование параметров плавности хода автомобилей на искусственных неровностях проводятся для определения уровня воздействия вертикальных ускорений на водителя и пассажиров при преодолении транспортным средством повторяющихся неровностей относительно небольшой длины (ускорения «тряски»), а также для изучения его поведения в условиях резонансных колебаний в ходовой части при движении по неровностям, длина которых равна (или больше) базы машины. В качестве исходных дорог с искусственными неровностями для определения ускорений «тряски» предварительно могут быть выбраны две трассы: — дорога с профилем в виде треугольника (длина основания 0,4 м, высота неровности 0,05 м, расстояние между вершинами 0,076 м), которые применяются для испытаний гусеничных машин на плавность хода; — дорога с синусоидальным профилем («стиральная доска»), применяемая на автополигоне НАМИ для испытаний автомобилей в условиях тряски. Длина неровностей 1Н= 0,76 м, высота =0,025 м. Профиль трассы можно описать уравнением вида: S (4.1) max 1 - cos V 1Н J где дтах— максимальная высота неровности; X — горизонтальная координата профиля. При испытаниях на таких дорогах определяются параметры плавности хода и условия работы элементов подвески (например, тепловыделения в амортизаторах).
В дальнейшем при проведении оценочных расчетов плавности хода исследуемых модификаций подвесок автомобиля «КАМАЗ» на дороге с профилем в виде треугольника с высотой 0,05 м было установлено, что ни одна из них не может обеспечить вертикальные ускорения, действующие на водителя, менее 0,5 g (5 м/с ). Поэтому в качестве базовой была принята дорога с синусоидальным профилем высотой 8 0,025 м.
Для исследования эффективности элементов подвески в условиях возбуждения резонансных колебаний корпуса в практике испытаний на плавность хода колесных и гусеничных транспортных средств используются дорога с относительно длинными неровностями, состоящая из прямых волн синусоидального профиля, который также описывается уравнением 4.1. В комплексе специальных дорог [119], разработанном для испытаний многоцелевых и специальных автомобилей, данная дорога состоит из 5 секций 1-5, параметры которых приведены ниже:
Протяженность каждой секции с различными волнами выбрана такой, чтобы получить установившиеся колебания, а выбор секции производится по условию возбуждения наибольших амплитуд резонансных колебаний.
Для гусеничных машин такие испытания носят обязательный характер, так как в технических требованиях задается предельная высота неровности, которую должна преодолевать машина во всем диапазоне эксплуатационных скоростей, без превышения уровня вертикальных ускорений в 3,0 g. Для автомобилей различной конструкции скорость движения при таких испытаниях ограничивается возникновением резонансных колебаний и отрывом колес от опорной поверхности, что может привести к потере устойчивости и аварии. Поэтому теоретические исследования на такой дороге носят справочный характер и не характеризуют эффективность системы подрессоривания в реальных условиях движения автомобиля.
Микропрофиль дорожного полотна в общем случае, как это доказано многочисленными исследованиями, может быть отнесен к стационарным случайным процессам. Подобные процессы характеризуются такими стати 88 стическими параметрами как дисперсия (среднеквадратическое отклонение) высот неровностей, корреляционная функция и спектральная плотность.
Основной проблемой в этом случае является представительность трасс, на которых должно исследоваться движение автомобилей. В качестве эталонных в отраслевых стандартах [66, 67] по оценке плавности хода рекомендуются трассы полигона НИЦИАМТ (№2 и 3 в таблице 4.2).
Участки дорог автополигона ЬШЦИАМТ, выбранные в качестве эталонных для испытаний грузовых автомобилей на плавность хода, регламентируются ОСТ 37.001.275-84 «Автотранспортные средства. Методы испытаний на плавность хода». Однако условия, в которых эксплуатируются полноприводные автотранспортные средства, могут быть ещё более жесткими с точки зрения дорожного воздействия, чем участок №3 автополигона. Поэтому для оценки плавности хода был использован также микропрофиль разбитой грунтовой дороги автополигона НИЦИАМТ, на которой испыты-ваются полноприводные грузовые автомобили. Среднеквадратическая вы 89 сота неровностей этой дороги составляет 6,9-10" м. Условно эту дорогу можно назвать «дорога №4»
Учитывая специфику работы спортивных и армейских автомобилей для сравнительной оценки работы подвесок в ещё более тяжёлых условиях, была выбрана также наиболее «лёгкая» танковая трасса испытательного полигона ВНИИТМ, по которой у автора имелись необходимые данные. Назовём эту дорогу «дорога №5».
Для расчёта плавности хода по изложенной далее математической модели дорога должна быть задана ординатами микропрофиля с фиксированным шагом. В таком виде у автора имелись данные лишь по дороге №5. Поэтому возникла необходимость в разработке методики и соответствующего программного обеспечения для генерации случайного дорожного микропрофиля по имеющимся данным.
