Введение к работе
Актуальность работы. Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает производителя искать способы сокращения времени на разработку и доводку новых образцов автомобилей, к числу которых относится применение современных методов математического моделирования их движения по специальным дорогам автополигонов. Эти методы, ориентированные на широкое применение вычислительной техники и систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяют уже на стадии проектного задания, используя мощные программные системы формирования и решения дифференциальных уравнений нелинейной динамики для сложных динамических моделей автомобиля, исследовать и совершенствовать его системы подрессоривания и виброзащиты, оценивать показатели и характеристики плавности хода и нагруженно-сти несущей системы.
Вместе с тем, узким местом использования подобных программных систем по-прежнему является отсутствие реалистичных, теоретически и экспериментально обоснованных моделей, учитывающих преобразующие свойства пневматической шины и, в первую очередь, ее поглощающую и сглаживающую способность.
Для создания таких обоснованных моделей преобразующих свойств шины необходимо, прежде всего, глубокое понимание процессов формирования внешнего воздействия микропрофиля дороги на автомобиль и особенно в первичном звене колебательной системы - в зоне контакта шины с опорной поверхностью, как и преобразование этого воздействия самой шиной.
Актуальность темы диссертационной работы диктуется также потребностями форсированных испытаний автомобилей на специальных дорогах автополигонов, когда знание закономерностей процессов сглаживания шиной микропрофиля и поглощения ею энергии вертикальных колебаний позволяет правильно оценить уровень воздействия микропрофиля той или иной дороги, а, следовательно, точно определить степень нагруженности автомобиля от этого воздействия и, таким образом, разработать наиболее оптимальную по длительности пробегов программу испытаний.
Кроме того, исследование количественных характеристик поглощающей и сглаживающей способности пневматической шины является предпосылкой для дальнейшего развития теории колебаний автомобиля с целью сближения расчетных и опытных данных и более совершенной оценки параметров его эксплуатационных свойств, в том числе плавности хода, которая является одним из главных эксплуатационно-потребительских качеств легковых автомобилей высшего класса.
Не менее важной является также перспективная задача, связанная с исследованием и конструированием шин, способных полностью или в определенной степени взять на себя функции подвески за счет значительного проявления сглаживающего эффекта и возможности воспринимать и рассеивать энергию от воздействия неровностей. При наличии таких шин существенно упрощается устройство автомобиля и значительно снижается стоимость его эксплуатации.
Целью работы является разработка теоретически и экспериментально обоснованных методов учета поглощающей и сглаживающей способности пневматических шин для дальнейшего совершенствования теории и расчетов плавности хода и подрессоривания, форсированных испытаний и нагруженно-сти автомобилей.
Объекты исследования: двенадцать шин радиальной и диагональной конструкции легковых автомобилей, микроавтобусов и малотоннажных грузовых автомобилей с посадочным диаметром 14...16 дюймов отечественного и зарубежного производства, а также грузовой двухосный автомобиль ЗИЛ -4331 и легковой автомобиль высшего класса ЗИЛ — 4102.
. Методы исследований. В работе применены методы статистической динамики линейных систем автоматического регулирования, операционного исчисления, математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, теории погрешностей, численные методы математического анализа, экспериментальные методы стендовых испытаний шин и ходовых испытаний автомобилей на плавность хода.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.Разработана математическая модель движения и теоретический метод
определения амплитудно-частотных и спектральных характеристик колебаний
динамической системы, эквивалентной подвеске автомобиля, по специальным
дорогам автополигона НИЦИАМТа с учетом нелинейной эллиптической моде
ли поглощающей способности шины. '-.Г-.;-
2.Разработан упрощенный, теоретический метод оценки поглощающей способности шин при расчетах колебаний динамических систем любой сложности, эквивалентных автомобилю, с использованием операторных методов и основывающийся на параметрах эллиптической модели шины.
3.Разработан, изготовлен и внедрен универсальный шинный стенд для исследования упругих, поглощающих и сглаживающих свойств пневматических шин в квазистатическом и динамическом режимах, с возможностью автоматизации процесса нагружения шины.
4.Разработаны, изготовлены и внедрены датчики силы и линейных перемещений тензометрического типа с учетом предложенного теоретического метода расчета чувствительных элементов датчиков на стадии проектирования.
5.Экспериментально доказано, что параметры эллиптической модели поглощающей способности конкретной шины не зависят от ее эксплуатационного состояния: внутреннего давления воздуха, уровня статической нагрузки и температуры покрышки. Доказано, что при ужесточении требований к силовой и упругой неоднородности шин при их производстве это положение может быть распространено на все шины одного размера и модели.
б.Экспериментально доказано, что параметры эллиптической модели поглощающей способности шины не зависят от частоты ее радиальной деформации при испытании на невращающемся колесе в диапазоне частот 1...5 Гц, но при более высоком значении параметра пропорциональности модели.
7.Предложен теоретически обоснованный интегральный параметр - коэффициент эквивалентного вязкого трения для оценки поглощающих (демпфирующих) свойств шин, базирующийся на константах эллиптической модели.
8.Экспериментально получены числовые значения параметров эллиптической модели поглощающей способности и коэффициента эквивалентного вязкого трения всех испытанных шин.
9.Разработана математическая модель эффекта переменного сглаживания шиной неровностей дороги.
Ю.Усовершенствована функциональная схема двухмассовой колебательной системы, эквивалентной подвеске автомобиля, с целью учета эффекта переменного сглаживания шины.
11 .Разработана математическая модель движения и численный метод (совместно с программным обеспечением) определения амплитудно-частотных и спектральных характеристик колебаний динамической системы, эквивалентной подвеске автомобиля, и ее звеньев по специальным дорогам автополигона НИ-ЦИАМТа с учетом новой модели эффекта переменного сглаживания шины.
12.Установлены новые закономерности изменения АЧХ звена переменного сглаживания, которые лишены недостатков как модели постоянного сглаживания, так и модели «огибающей», и определяются характеристиками микропрофиля дороги и скоростью движения автомобиля.
ІЗ.Разработан экспериментальный метод оценки сглаживающей способности шин по траекториям оси колеса при обкатывании неровностей гармонического профиля в условиях шинного стенда.
1 ^Экспериментально получены функциональные соотношения параметра сглаживания от радиальной деформации шины и числовые значения параметра обратной связи модели эффекта переменного сглаживания при изменении нагрузки и внутреннего давления воздуха испытанных шин.
15. Доказано, что ввод в расчет колебаний эквивалентных систем автомобиля эллиптической модели поглощающей способности шины и модели эффекта переменного сглаживания шиной неровностей дороги приводят к существенному сближению расчетных и экспериментальных характеристик плавности хода (в т.ч. энергетических спектров виброускорений и относительных перемещений).
Практическая ценность работы.
Разработанные математические методы оценки поглощающей и сглаживающей способности шин при расчетах колебаний автомобилей - как вместе, так и без своего программного обеспечения, а также результаты экспериментальных исследований по определению числовых значений параметров упругих, поглощающих и сглаживающих свойств, в т.ч. и параметра упрощенной модели - коэффициента эквивалентного вязкого трения, современных шин легковых автомобилей, микроавтобусов и малотоннажных грузовых автомобилей могут быть использованы шинными, автомобильными заводами и соответствующими НИИ как при совершенствовании шин, так и при проектировании и доводке более совершенных систем подрессоривания и виброзащиты автомобилей; при полигонных испытаниях автомобилей для более достоверной оценки нагруженности подвески и несущей системы и при разработке оптимальных программ форсированных пробегов по специальным дорогам.
Разработанный шинный стенд и специальное оборудование используются при организации учебного процесса по теории и рабочим процессам автомобиля и курсу НИРС на кафедре автомобильного транспорта БрГТУ.
Реализация работы. Разработанная математическая модель эффекта переменного сглаживания шиной неровностей дороги и ее программное обеспечение внедрены в программную систему FRUND ОГК САПР автозавода АМО ЗИЛ. Акт внедрения прилагается к диссертационной работе.
Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на кафедре «Автомобильный транспорт» Братского государственного технического университета. Основные положения работы докладывались на 7...20-й (1976 ','.- 1999 гг.) научно-технических конференциях БрГТУ (БрИИ), на Третьей Всесоюзной научной конференции по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (г. Челябинск, 1982 г.), на Первом (г. Москва, 1984 г.), Третьем (г. Москва, 1988 г.) и Четвертом (г. Москва, 1990 г.) Всесоюзных научно-технических совещаниях «Динамика и прочность автомобиля», на Восьмом Международном симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов. Дорога, шина, автомобиль» (НИИТІТП, г. Москва, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, по-' лучено одно авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, анализа состояния проблемы, целей и задач исследования, четырех глав, заключения и выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа в целом содержит 318 страниц, 130 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 151 наименования.
