Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы и задачи исследования 20
1.1. Проектирование колесных машин 2 0
1.2. Теория движения колесных машин 25
1.3. Испытания колесных машин 31
1.4. Механика пневматических шин 33
1.5. Колебания и плавность движения колесных машин 41
1.6. Управляемость и устойчивость колесных машин 48
1.7. Проходимость колесных машин 56
1.8. Надежность колесных машин 60
1.9. Общие выводы по обзору работ и постановка задач исследования 65
1.10. Предметы исследования 71
2. Математические модели для определения показателей эксплуатационных свойств колесных машин 77
2.1. Математическая модель для исследования колебаний легкового автомобиля 77
2.2. Математическая модель оценки усталостной долговечности рессор автомобиля с учетом фреттинг-износа 102
2.3. Математическая модель для исследования криволинейного движения специализированных автотранспортных средств 106
2.4. Выводы по главе 127
3. Оборудование, программы и методики экспериментальных исследований колесных машин 129
3.1. Экспериментальное определение параметров и характеристик составных частей колесных машин 129
3.2. Экспериментальное определение показателей эксплуатационных свойств колесных машин 147
3.3. Выводы по главе 164
4. Система измерителей эксплуатационных свойств колесных машин 166
4.1. Современная система измерителей эксплуатационных свойств автомобилей общетранспортного назначения 166
4.2. Система измерителей эксплуатационных свойств внедорожных специализированных автотранспортных средств 189
4.3. Выводы по главе 193
5. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований параметров, характеристик и показателей эксплуатационных свойств колесных машин 194
5.1. Параметры и характеристики колесных машин 194
5.2. Показатели эксплуатационных свойств 204
5.3. Влияние конструктивных параметров на показатели эксплуатационных свойств колесных машин 235
5.4. Условия безопасной эксплуатации специализированных автотранспортных средств 259
5.5. Выводы по главе 261
6. Разработка, модернизация и анализ технического состояния колесных машин 269
6.1. Разработка и модернизация конструкций колесных машин 269
6.2. Анализ технического состояния автомобилей 283
6.3. Выводы по главе 291
Основные результаты и выводы 294
Список использованных источников
- Колебания и плавность движения колесных машин
- Математическая модель оценки усталостной долговечности рессор автомобиля с учетом фреттинг-износа
- Экспериментальное определение показателей эксплуатационных свойств колесных машин
- Влияние конструктивных параметров на показатели эксплуатационных свойств колесных машин
Введение к работе
Актуальность работы Магистральным направлением развития экономики страны за последние годы стала ее интеграция в международную экономическую систему, образованную наиболее развитыми в техническом отношении странами планеты Вхождение России в восьмерку ведущих стран мира и ее предстоящее вступление во Всемирную торговую организацию превращает требование высокой конкурентоспособности продукции отечественных производителей в жизненно важную задачу
Проблема обеспечения высоких потребительских качеств изделий на уровне ведущих мировых образцов особенно актуальна для производителей колесных машин Высокий технический уровень колесных машин, обеспечивающий удовлетворение все возрастающих требований потребителей и конкурентоспособность на рынке сбыта, закладывается на стадии проектирования Только с использованием комплекса передовых методов решения задач, возникающих в процессе проектирования колесных машин и включающих научные, технические, экономические, организационные и художественно-архитектурные методы проектирования, возможно создание моделей, пользующихся постоянным и устойчивым спросом на рынке
Особое место среди методов проектирования колесных машин занимают научные методы Реализация научного подхода к процессу проектирования колесных машин позволяет на основе современных достижений науки и техники находить в кратчайшие сроки оптимальные решения задач по удовлетворению насущных потребностей народного хозяйства и населения страны в этих машинах и созданию моделей на уровне лучших мировых образцов При этом достигаются снижение затрат материальных, финансовых и трудовых ресурсов, рентабельность производства и планируемая прибыль
Сказанное выше позволяет сделать вывод о необходимости широкого использования принципов научного подхода к процессу создания новой модели колесной машины на всех стадиях - от предпроектных исследований до постановки на производство, а также при модернизации освоенной в производстве модели В наибольшей мере реализация научных методов проектирования целесообразна на его ранних стадиях, когда осуществляют научно-технический поиск и прогнозирование, формирование описания среды функционирования машины, моделирование и исследования, направленные на разработку концепции и технического решения
Разработка и совершенствование принципов научного подхода к проектированию колесных машин, которые легли в основу настоящей работы автора, нашли отражение в его теоретических и экспериментальных исследованиях, а также в практике решения насущных задач, стоящих перед предприятиями отрасли по созданию совершенных конструкций машин
Цель работы Разработка технических решений, вносящих значительный вклад в развитие экономики страны и связанных с повышением показателей управляемости, устойчивости, маневренности, плавности движения и надежности автомобилей общетранспортного назначения и специализированных автотранспортных средств, предназначенных для работы на дорогах с твердой опорной поверхностью, на основе дальнейшего развития научных методов их проектирования и реализация полученных результатов при совершенствовании конструкций названных типов колесных машин
Объекты исследования На разных стадиях работы в качестве объектов исследования выбраны колесные машины, разработанные и освоенные в производстве на предприятиях страны легковые и грузовые автомобили, автобусы, специализированные автотранспортные средства (CATC) производства ОАО «ИжАвто», ОАО «ГАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «Павловский автобус», ОАО «КамАЗ», Центрального проектно-конструкторского бюро промышленного транспорта черной металлургии (ЦПКТБтрансчермет), г Мариуполь Донецкой обл , Криворожского завода по ремонту дизельных автомобилей (КЗРДА), г Кривой Рог Днепропетровской обл , холдинга «Техносервис», г Нижний Новгород
Методы исследования В теоретических,исследованиях использованы методы аналитической механики, теории колебаний, ctaHHEpncmibiMtttMiMMi динамики неголо-номных систем, спектрального анализа, 11 її 11 ни ЦИИЩОТІЦЧІ111" и|ііп, планирования
о» тЦщ
эксперимента, теории оптимизации, численные методы решения систем линейных и нелинейных дифференциальных уравнений
Экспериментальные исследования автомобилей общетранспортного назначения, выпускающихся в условиях крупносерийного и массового производства, проводились на дорогах общего пользования, на стендах УКЭР ОАО «ГАЗ» и кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ с использованием специального испытательного оборудования и сертифицированных измерительных приборов Испытания специализированных автотранспортных средств, выпускаемых малыми партиями, выполнялись на опытных и промышленных образцах в реальных условиях их работы с помощью изготовленной ходовой лаборатории и комплекта метрологически поверенных приборов и устройств
Научная новизна При выполнении работы получены следующие новые результаты
теоретически получены показатели эксплуатационных свойств легковых автомобилей с использованием пространственной математической модели для исследования колебательных процессов, возникающих при прямолинейном движении по дорогам со случайным микропрофилем, по периодически чередующимся неровностям и при переезде единичных неровностей, и оригинальной математической модели для оценки усталостной долговечности рессор с учетом фреттинг-износа, на базе которых методами многокритериальной многопараметрической оптимизации определены параметры системы подрессоривания по критериям плавности движения и долговечности упругих элементов,
впервые теоретически получены при криволинейном движении показатели управляемости, устойчивости и маневренности сочлененных и одиночных специализированных автотранспортных средств особо большой грузоподъемности на основе исследования оригинальных пространственных математических моделей с учетом вертикальных и угловых перемещений подрессоренных масс, нелинейных упругих характеристик подвесок и шин, характеристик продольного псевдоскольжения и бокового увода колес, сил тяги и сопротивления качению, наклона продольной оси эллипсоида инерции подрессоренной массы,
разработаны оригинальные измерительные устройства, методики экспериментального определения в стендовых и дорожных условиях параметров и характеристик составных частей колесных машин, в том числе коэффициентов продольного крипа и бокового увода шин большегрузных автомобилей, а также показателей управляемости, устойчивости, маневренности, плавности движения и долговечности названных машин,
впервые экспериментально определены показатели управляемости, устойчивости и маневренности специализированных автотранспортных средств, созданных на шасси карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности и по оригинальным компоновочным схемам, и даны рекомендации по безопасной эксплуатации этих уникальных машин в реальных условиях их работы,
получила дальнейшее развитие система измерителей эксплуатационных свойств автомобилей общетранспортного назначения, обоснована и реализована система измерителей эксплуатационных свойств специализированных автотранспортных средств, созданных на базе внедорожных автомобилей особо большой грузоподъемности, на которые не распространяются требования нормативных документов, регламентирующих показатели эксплуатационных свойств дорожных автомобилей
Основные положения, выносимые на защиту
Из теоретических разработок - математические модели колесных машин для исследования показателей эксплуатационных свойств при прямолинейном и криволинейном движении, математические модели для оценки усталостной долговечности рессор с учетом фреттинг-процесса и для обоснования методик определения параметров и характеристик составных частей колесных машин, используемых при расчетах на основании предложенных математических моделей
» - - „.. >
Из научно-методических разработок система измерителей эксплуатационных свойств колесных машин, методика выбора и оптимизации конструктивных параметров колесных машин, обеспечивающих нормативные показатели эксплуатационных свойств
Из научно-технических разработок практические рекомендации но повышению показателей эксплуатационных свойств и совершенствованию конструкций колесных машин, принципиальные схемы, конструктивные и архитектурно-художественные решения новых образцов колесных машин, комплекс оборудования и аппаратуры для определения показателей эксплуатационных свойств, параметров и характеристик колесных машин, оказывающих влияние на эти показатели, результаты анализа дефектов и неисправностей основных моделей автомобилей отечественного производства показывающие nyi и совершенствования их конструкций
Достоверность результатов Достоверность результатов теоретических исследований обеспечивается разработкой математических моделей на основе фундаментальных положений теоретической механики и сопротивления материалов Эксперименты выполнены с использованием поверенных измерительных средств и апробированных методов измерений и с высокой повторяемостью результатов Сопостаятение результатов экспериментальных исследований, выполненных в дорожных и стендовых условиях, с результатами расчетов на основе математических моделей показало, что их расхождение не превышает 10-15% Этим подтверждается достоверность основных теоретических положений, принятых допущений и гипотез при составлении математических моделей и обоснованность рекомендаций по совершенствованию конструкций исследованных колесных машин
Практическая ценность Математические модели позволяют оценить достоинства и недостатки принимаемых конструктивных решений и вариантов конструктивного исполнения базовой модели и ее модификаций и тем самым сократить объем и время доводочных испытаний, требующих больших материальных, финансовых и трудовых ресурсов
Созданные оборудование, приборы и методики определения показателей эксплуатационных свойств, параметров и характеристик колесных машин нашли практическое применение на промышленных предприятиях страны и в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета
Развитая в работе система измерителей всех эксплуатационных свойств автомобилей является методической основой разработки технических заданий на их проектирование, программ и методик доводочных, предварительных и приемочных испытаний опытных образцов, основой анализа выполнения требований технического задания на стадиях эскизного и технического проектов
Практическую значимость имеют результаты выполненных исследований и рекомендации по совершенствованию конструкций колесных машин, реализованные при разработке комплекса транспортно-технолоїических машин для черной металлургии страны во исполнение правительственного постановления по техническому перевооружению названной отрасли народного хозяйства
Несомненный интерес для работников конструкторско-зкеиериментальных подразделений автомобильных заводов страны представляют резулыаты анализа технического состояния их основных базовых моделей, выполненною автором по заданию и совместно с работниками Нижегородской станции инструмешальнот контроля автоіранспортньїх средств ГоСтАВТО-1
Разработки автора по теме диссертации нашли отражение р учебных пособиях и учебно-методических разработках, используемых для обучения студентов вузов по специальности 150100 «Автомобиле- и тракторостроение)», а также контролеров и экспертов технического состояния автомобилей при повышении их квалификации в рамках послевузовского дополнительного высшего образования
Отдельные положения настоящей работы леї ли в основу кандидатских диссертаций аспирантов В П Могутнова, Е М Кудряшова, Н Е Казачек А А Хорычева и магистерской диссертации F В Горынина, выполненных на кафедре "Автомобили и трак~оры» НГТУ
Реализация результатов работы Большинство материалов, включенных в настоящую диссертационную работу, получено при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по заказам предприятий и научно-исследовательских организаций автомобильной промышленности и черной металлургии страны в рамках хозяйственных договоров и госбюджетных работ Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде математических моделей, методик расчетов, программ и методик испытаний, практических рекомендаций по повышению показателей эксплуатационных свойств, образцов испытательного оборудования, пакетов сертификационных документов и заявочных материалов на охранные документы внедрены в ОАО «ИжАвто», ОАО «ГАЗ», ЦПКТБтрансчермет, КЗРДА, «Техносервис», ГоСтАВТО-1 и реализованы
при разработке двух моделей легковых автомобилей в ОАО «ИжАвто»,
при проектировании, доводке и модернизации одной модели грузового автомобиля и трех моделей легковых автомобилей в ОАО «ГАЗ»,
при проектировании, испытаниях и модернизации более 20 моделей CATC в ЦПКТБтрансчермет и на КЗРДА,
при разработке, испытаниях, сертификации и патентовании модификаций легковых, грузовых автомобилей и автобусов на базе автомобилей «ГАЗель», «Соболь», «Волга», УАЗ, спецавтомобилей оригинальных конструкций с силовыми агрегатами ОАО «Заволжские моторы», «Iveco», «Rover», «Toyota» в холдинге «Техносервис», г Нижний Новгород
Личный вклад соискателя Исследования по теме диссертации автор выполнял в качестве ответственного исполнителя и научного руководителя научно-исследовательских работ
Из 92 опубликованных по теме диссертации печатных работ 19 объемом 27 п л написаны без соавторов, остальные - совместно с преподавателями, аспирантами и научными сотрудниками кафедр Нижегородского государственного технического университета и предприятий, по заказу которых выполнялись хоздоговорные и госбюджетные работы Основные соавторы соискателя профессор, к т н И Н Успенский, профессор, д т н Р А Мусарский, доцент, к т н В П Могутнов, к т н Е М Кудряшов, доцент, к т н Н М Кис-лицин, доцент, к т н ВИ Шишкин, доцент, к т н AM Грошев, инженер А Д Белокопы-тов и др Общий объем печатных работ по теме диссертации 181 п л , из них лично автором написано 78 п л (43%)
В работах, опубликованных совместно, соискатель осуществлял постановку задач, определял направления и методики исследования, формулировал выводы и результаты
Лично соискателем определено научно-техническое направление работы, сформулированы цели и задачи исследования, основные результаты и выводы по работе Под руководством и при личном участии соискателя выполнены теоретические и экспериментальные исследования по теме диссертации, теоретически обоснованы принципы работы, разработаны и изготовлены стенды, аппаратура и устройства, предложены программы и методики экспериментального исследования колесных машин
Соискателем развита система измерителей эксплуатационных свойств автомобилей общетранспортного назначения и впервые предложена система измерителей для оценки эксплуатационных свойств специализированных автотранспортных средств
Лично соискателем сформулированы рекомендации по совершенствованию конструкций и повышению показателей эксплуатационных свойств исследованных колесных машин, внедренные на предприятиях автомобильной промышленности и черной металлургии страны, и даны предложения по обеспечению безопасной эксплуатации CATC в реальных условиях работы Соискателем выполнен анализ технического состояния более пяти тысяч отечественных автомобилей и выработаны рекомендации по их улучшению
Апробация работы Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 32 научных, научно-исследовательских, научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе на 13 Международных (Москва, 1992, 1994, 1999, 2002 гг, Санкт-Петербург, 1997, 1998 гг, г Нижний Новгород, 1994, 1997, 1999, 2000, 2002, 2003 гг, г Набережные Челны, 1997 г), семи Всесоюзных (Москва, 1970, 1972, 1980, 1986, 1988 гг, г Горький (Нижний Новгород) 1987, 1990 гг),
пяти региональных (г Горький, 1984, 1985, 1986, 1987, 1988 і г), одной краевой (г Анапа Краснодарского края, 1991 г), двух городских (г Горький, 1970, 1988 гг), четырех межвузовских (Москва, 1984 г , г Минск, 1985 г , і Горький (Н Новгород), 1980, 1996 і г)
Публикации По теме диссертации опубликовано 115 печатных работ В их числе 12 учебно-научных монографий, 48 статей, 18 тезисов докладов 14 учебно-методических разработок, 23 охранных документа 8 авторских свидетельств на изобретения, один па-теш на изобретение, два патента на промышленные образцы, 11 свидетельств на полез-ную модель и один патент на полезную модель
Структура и объем работы Диссертация состоит из общей характеристики работы, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложений Общий объем работы 396 страниц, в том числе 334 страницы машинописного текста, 65 рисунков на 47 страницах и 29 таблиц на 15 страницах Список использованных источников содержит 654 наименования, в том числе 602 работы на русском языке и 52 на иностранных языках Четыре приложения на 31 странице включают распечатки программ и акты внедрения результатов работы
Колебания и плавность движения колесных машин
Научные основы исследований колебаний колесных машин составляют теоретическая механика [53, 80, 96, 154, 305, 501] и ее раздел — теория механических колебаний [70, 144, 387, 388, 558], операционное исчисление 1, 317], теория вероятностей и математическая статистика [68, 138, 142, 462, 495], статистическая динамика механических систем [139, 159].
Работы в области исследования колебаний и плавности движения автомобилей в нашей стране начались в 30-х годах прошлого века. Основываясь на работах Е.А. Чудакова по теории, конструкции и расчету автомобиля научные работники и специалисты П.М. Волков, Б.А. Глух, Д.В. Гельфгат, И.Г. Пархиловский, Р.В. Ротенберг, А.А. Тарутин, И.И. Трепе-ненков, В.Б. Цимбалин и другие выполнили ряд значительных работ в области исследования подвесок и колебаний автомобиля. Опыт отечественной школы исследований в области колебаний, плавности движения и систем подрессоривания автомобилей, выполненных в 30-50-х годах XX века, был обобщен в сборнике научно-исследовательских работ «Подвеска автомобиля» [415] по итогам одноименного семинара, проведенного под научным руководством Е.А. Чудакова в 1951 г. В 50-х годах опубликованы первые монографии по теории, конструированию и расчету подвески автомобиля Р.В. Ротенбергом [449] и И.Г. Пархиловским [390].
Из работ зарубежных авторов в области колебаний и подвески автомобилей наибольшую известность получили переведенные на русский язык монографии Н. Marunn (Г. Маруна) [319] и Е.А. Wedemejer (Е.А. Ве-демейера) [88], а также статьи Е. Lehr, М. OIley, R. Schilling, Е. Marquard [621] и других [449].
На первом этапе работ систему подрессоривания автомобиля моделировали в виде механической двухмассовой колебательной системы с линейными характеристиками упругих и демпфирующих элементов при возбуждении колебаний переездом единичных и периодически чередующихся неровностей.
В 50-х годах начинается второй этап исследования колебаний и плавности движения автомобилей. Этот этап характеризуется широким использованием при моделировании колебательных процессов теории случайных процессов, теории автоматического управления, теории нелинейных колебаний динамических систем. Очевидно, что столь сложные и трудоемкие процессы моделирования могли быть реализованы только с использованием аналоговых и цифровых вычислительных машин.
Исследования колебаний автомобиля при воздействии на его колеса случайного микропрофиля дорог были начаты М. Mitschke [627] в 1958 г. В нашей стране первые работы по исследованию колебаний автомобиля методами статистической динамики выполнены И.Г. Пархиловским, А.А. Силаевым, Н.Н. Яценко и O.K. Прутниковым, Р.В. Ротенбергом, которые нашли отражение и обобщение в их монографиях [390, 448, 467,468, 599].
Фундаментальные исследования основных эксплуатационных свойств автомобиля, в том числе плавности движения на основе современной теории случайных процессов и теории автоматического управления с широким использованием моделирования колебаний на АВМ выполнены коллективом ученых под научным руководством А.А. Хачатурова, результаты которых в систематизированном виде изложены в монографиях [150, 438].
Большие возможности использования средств вычислительной техники для исследования колебательных процессов колесных машин показаны в монографиях Р.И. Фурунжиева [552, 553] и в коллективной монографии ученых Белорусского политехнического института (ныне Белорусский национальный технический университет) под редакцией А,И. Гришкевича [413].
Исследование плавности движения двух- и трехосных седельных автопоездов, а также колебаний кабины с водителем рассмотрены в работах Ю.Ю. Беленького, A.M. Маринича и А.И. Петровича [437].
Колебания бесподвесочных машин с шарнирной рамой рассмотрены в монографии Е.ГО. Малиновского и М.М. Гайцгори [315].
Результаты многолетних исследований в области виброакустики автомобиля, выполненные В.Е. Тольским, опубликованы в его монографии [511].
Большой объем исследований выполнен в нашей стране по теории нелинейной виброзащиты колесных машин с использованием в системе подрессоривания гадропневматических подвесок. Теоретические основы гидропневматических подвесок разработаны Ю.Б. Беленьким [61]. Различные аспекты разработки гидропневматических подвесок изложены в работах О.Г. Равкина [432], ЯМ. Певзнера и А.М. Горелика [393], А.А. Мельникова, И.Н. Успенского и В.В. Коняшова [222, 322], Л.И. Добрых [156], РА. Акопяна [15], A.M. Петренко [396]. Процедуры оптимального проектирования телескопических гидропневматических подвесок рассмотрены в монографии Р.И. Фурунжиева [553].
Многолетний опыт испытаний и экспериментальных исследований колебаний автомобиля, в том числе методами статистического анализа, накопленный в НАМИ, обобщен в коллективной монографии под редакцией ЯМ. Певзнера [213].
Серьезные проблемы возникают при разработке систем подрессоривания многоосных автомобилей, поэтому не случайно их исследованию посвящено большое количество монографий и диссертаций. Среди них наиболее значительными могут быть признаны работы Р.В. Ротенберга [447, 448], А.А. Силаева [467, 468], Н.Н. Яценко [598, 599], ПЗ. Аксенова [16, 17], В.Ф. Платонова [409, 410], Р.И. Фурунжиева и А.Н. Останина [554], А.Ф. Опейко [356], Т.Н. Рейзиной [441] и других. Следует отдельно отметить глубокие исследования систем подрессоривания многоосных колесных машин, выполненные в МГТУ им. Н.Э. Баумана Г.А. Смирновым, А.А. Полунгяном, А.Б. Фоминых, Л.Ф. Жегловым [418, 426, 474, 475].
Ряд работ посвящен исследованию рабочих процессов, конструированию и расчету составных частей систем подрессоривания: упругих элементов, амортизаторов, направляющих устройств, стабилизаторов поперечной устойчивости. Исследованию рабочих процессов и расчету автомобильных рессор посвящены две монографии И.Г. Пархиловского [390, 391]. Основы проектирования упругих элементов подвесок различных конструкций (рессор, пружин, торсионов) изложены в работе И.Н.
Математическая модель оценки усталостной долговечности рессор автомобиля с учетом фреттинг-износа
Рессорная подвеска имеет достаточно широкое применение на современных автомобилях. Наибольшее распространение она получила на грузовых автомобилях и автобусах, создаваемых на их шасси. При всем многообразии конструктивных исполнений подвесок легковых автомобилей рессоры используют прежде всего в качестве упругих элементов задних подвесок легковых автомобилей среднего и большого классов. Имея ряд преимуществ по сравнению с пружинными, торсионными и комбинированными упругими элементами, автомобильная рессорная подвеска проигрывает им в долговечности.
Основной причиной поломки рессор является их усталостное разрушение. Автором совместно с сотрудниками УКЭР ОАО «ГАЗ» и кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ изучены результаты усталостных испытаний 160 рессор автомобилей производства ОАО «ГАЗ», которые выполнены на стенде УКЭР предприятия в период с 1990 г. по 1998 г. В указанный период проводились испытания рессор, изготовленных из сталей 50ХГА и 60С2, различной конструкции (основных и дополнительных, с листами прямоугольного, параболического, трапециевидного, Т-образного, канавочного профиля, профиля с переменным сечением, с числом листов от 2 до 12), с различными способами крепления и силового нагружения на стенде (ход ползуна, предварительное поджатие, частота циклического нагружения). Для каждой испытательной партии рессор численностью от 2 до 10 определяли среднюю долговечность, выражаемую числом циклов N до поломки какого-либо листа.
Для установления причины поломки каждой из испытанных рессор в Центральной заводской лаборатории предприятия были проведены металлографические исследования поверхности излома листов, которые позво лили сделать вывод о том, что у 124 (78%) рессор причиной разрушения листов была контактная усталость металла. При металлографическом исследовании 95 листов четырех опытных партий рессор легкового автомобиля ГАЗ-31029 установлено, что в 90% случаев причиной поломки листов стала фреттинг-усталость [584].
Явление фреттинга на поверхностях контактирующих деталей машин, подвергающихся циклическому нагружению, достаточно хорошо изучено и обобщено в основополагающих монографиях [100, 529, 547] и журнальных статьях. Вместе с тем, практически отсутствуют публикации, в которых при исследовании усталостной долговечности автомобильных рессор учитывался бы фреттинг-процесс. По этой причине представляет несомненный практический интерес разработка математической модели усталостной долговечности рессор с учетом их фреттинг-износа на базе стендовых испытаний большого количества реальных образцов. Пархиловский И.Г. [389, 390] предложил формулу для расчета долговечности рессоры L_ 2KNoX»r 3600co0v[/(m + 2)Р(%2 ; т + 2) где No и т. - соответственно число циклов в точке перегиба и показатель кривой выносливости (усталости) при заданных средних напряжениях в рессоре; Va — скорость движения автомобиля, км/ч; щ — низкая частота собственных колебаний подвески, рад/с; \\f(m + 2)- нормировочная постоянная распределения Пирсона; Рух2 ;т + 2) — функция %2 Пирсона. Б формуле (2.69) независимая переменная Пирсона X = %=J-. (2.70) Здесь ст_і - предел выносливости рессоры; (р - коэффициент, характеризующий чувствительность предела выносливости рессоры при средних напряжениях; Дг - дисперсия случайной функции динамических напряжений в листах рессоры.
У много листовой несимметричной рессоры с одинаковой толщиной и шириной листов напряжения в листах рассчитывают по формуле [390] 6/ Lnbtf = - Л (2-71) где F - нормальная нагрузка, приходящаяся на рессору; L, 1\ и /2 - соответственно общая длина, длина переднего и заднего плеч рессоры; п — количество листов; Ъ и к соответственно ширина и толщина листов рессоры.
Анализ формул 2.69) - (2.71) позволяет сделать вывод о том, что долговечность рессоры зависит от частоты собственных колебаний ш0 , конструктивных параметров рессоры п, Ъ и h и параметров кривой выносливости ст_і, т и Nnpn заданной средней скорости движения Va.
В приведенных формулах не учитывается влияние фреттинг-износа на долговечность рессоры. Для его учета нами предложены коэффициент X = S0/S (2.72) и критерий усталости Ф = А= Ф , (2.73) N N где 5ф - площадка фреттинг-процесса; S - площадь излома рессорного листа; N— число циклов до разрушения рессоры.
Названный критерий характеризует относительную скорость формирования фреттинг-шющадки, отнесенную к одному циклу колебаний. При этом предполагается, что частота колебаний в процессе эксперимента не меняется.
На основе статистической обработки результатов экспериментов и данных, содержащихся в публикациях по данной проблеме, методом наименьших квадратов получена математическая модель усталостной долговечности рессоры, описываемая следующим выражением: L = гЯ(а)/ш0)аі (b/b0p {ajarf3 (т/т0У Ф(х,у), (2.74) где г - коэффициент перехода от числа циклов при стендовых испытаниях к пробегу автомобиля в километрах в процессе эксплуатации, км/цикл; X = S0/S - коэффициент, учитывающий действие фреттинг-износа; (сй/ш0)аі- поправочный коэффициент, учитывающий изменение частоты собственных колебаний рессоры; (Ь/Ь0)а2- поправочный коэффициент, учитывающий изменение ширины листа рессоры; (сг /о!!, JT3 - поправочный коэффициент, учитывающий изменение предела выносливости; (ш/т0)а4 — поправочный коэффициент, учитывающий изменение параметра кривой усталости; Ф(х,у) — критерий усталости.
При анализе материалов, содержащихся в протоколах испытаний рессор автомобилей ОАО «ГАЗ» на усталостную долговечность, установлено, что объектами испытаний были рессоры двух типоразмеров с шириной листов 65 и 75 мм, в то время как число листов и толщина коренного листа изменялись в более широком диапазоне и составляли соответственно 7 и 14 типоразмеров. Исходя из количества типоразмеров испытанных листов было принято решение в математической модели усталостной долговечности рессор (2.74) влияние ширины листов учесть поправочным коэффициентом {bjbof2, а числа листов и толщины коренного листа - критерием усталости Ф(х, у), где х = п — число листов, у = h - толщина коренного листа в мм.
Экспериментальное определение показателей эксплуатационных свойств колесных машин
Разработанная конструкция устройства может быть также использована для диагностики подвески автомобиля.
Коэффициенты сопротивления амортизаторов определяют по рабочим диаграммам, снимаемым на стендах. При выполнении данной работы характеристики амортизаторов подвесок легковых автомобилей снимали на стенде УКЭР ОАО «ГАЗ».
По заданию ОАО «ГАЗ» на кафедре разработан и изготовлен для испытаний амортизаторов стенд оригинальной конструкции (рис. 3.10), защищенный а.с. № 526796 СССР.
Стенд отличается от известных конструкций тем, что обеспечивает испытания амортизаторов различных типоразмеров на ходах сжатия и отбоя в широком диапазоне прилагаемых к ним сил.
Экспериментальные исследования величины вертикальной реакции на колесе легкового автомобиля и продолжительности его отрыва от опор ной поверхности при переезде единичной неровности косинусоидальной формы длиной 500 мм и высотой 52,5 мм были выполнены на стенде с бес конечными лентами,.установленном в лаборатории кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ [185]. При испытаниях регистрировали перемещения , оси заднего колеса, кузова над задней осью и ускорения задней оси. Испы тания проведены при скорости движения 24 км/ч при различных жестко-стях шин, характеристиках амортизаторов и величинах подрессоренной массы. Было разработано два метода определения вертикальной реакции на колесе и метод определения продолжительности его отрыва от опорной поверхности по записям перечисленных выше процессов.
Для записи вертикальных реакций на колесе в дорожных условиях было разработано устройство (рис, 3.11), позволяющее проводить измерение вертикальных реакций по деформациям боковых стенок шины.
Запись деформаций боковых стенок шины производят электрическим способом (рис. 3.12). Четыре тензорезистора сопротивлением 13,2 Ом каждый попарно с двух сторон наклеены на упругие пластины и соединены по схеме четырехплечего тензометрического моста (теызомосты М] и М2). Балансировку тензомостов осуществляют потенциометрами Ri и R2 сопротивлением по 1000 Ом. При напряжении питания 4 В и небольшом сопротивлении тензорезисторов сила тока достаточна для того, чтобы вести запись процессов без тензоусилителя.
В электрическую схему также входят измеритель относительных перемещений оси и кузова, отметчики числа оборотов колеса и времени. Измеритель относительных перемещений состоит из двух потенциометров сопротивлением Ri = Re = 800 Ом, включенных параллельно. Отметчик оборотов колеса включает контакты Ki и нагрузочное сопротивление i?4 = 3000 Ом. Электрическая цепь отметчика времени состоит из контактов К2 и сопротивления Rs = 250 Ом. Питание аппаратуры осуществляли от аккумуляторной батареи автомобиля напряжением 12 В.
Была разработана методика тарировки устройства, позволяющая учесть влияние всех возможных факторов на величину боковых деформаций стенок шины, что позволило осуществлять запись вертикальных реакций, действующих на колесо, с относительной погрешностью, не превышающей + 5%. движения легкового автомобиля «Волга» от 20 до 80 км/ч на ровном и разбитом участках асфальтированного шоссе, а также при переезде единичных косинусоидальных неровностей длиной 500 мм и высотой 50 мм.
Экспериментальные исследования долговечности листовых рессор ГАЗ-3110 «Волга» проводили на стенде для ресурсных испытаний в УКЭР ОАО «ГАЗ» по методике, изложенной в ГОСТ 3396-90,, замененном ГОСТ Р 51185—2000. При циклическом нагружении рессор испытания проводили до предельного состояния, характеризуемого усталостной поломкой одного из листов или чрезмерной остаточной деформацией пакета листов, когда стрела прогиба более чем на 20% превышала начальное значение.
Усталостную долговечность рессоры оценивают по кривой усталости. Для ее построения необходимо знать параметры Сі и и, которые определяют по методике, изложенной в ГОСТ 2860-65. С целью определения названных параметров были проведены стендовые испытания 16 листов рессор и 16 пакетов из трех рессорных листов автомобиля ГАЗ-3110 при базовом числе циклов N = 2,5 106. При обработке результатов испытаний методом наименьших квадратов были получены степенные уравнения кривых усталости при логарифмических значениях параметров ст—і и т, для которых были определены границы 95%-ной доверительной области линий регрессии.
С участием автора диссертации разработан и реализован метод определения параметра т кривой усталости по спектрограммам мощности вибраций, полученных при испытаниях рессор на усталость. При исследовании вибрационных процессов, возникающих в установленной на стенде рессоре под действием внешних сил, использован метод минимакса энтропии. Он относится к методам спектрального анализа случайных временных процессов с высоким разрешением при малых выборках наблюдений. Автором метода [459] доказано, что его применение, при прочих равных ус ловиях, обеспечивает выигрыш в быстродействии и точности по сравнению с известными методами максимальной энтропии, максимального правдоподобия и др. в несколько раз.
Идея метода энтропии заключается в распараллеливании обработки наблюдений в М независимых частотных каналах с последующим объединением результатов наблюдений в универсальной модели типа «авторегрессия», отвечающей общесистемному принципу минимума удельной, т.е. приходящейся на один отсчет данных, энтропии.
Влияние конструктивных параметров на показатели эксплуатационных свойств колесных машин
Приведенные в табл. 5.9 предельные скорости выполнения маневра «поворот» ограничивались для всех CATC сносом с размеченной траектории и величиной предельного усилия на рулевом колесе. Причиной не-вписываемости названных CATC в заданную «переставку» послужили чрезмерно большие усилия на рулевом колесе, превышающие рекомендуемую величину 500 Н.
При испытании буксировщиков в транспортном режиме на траектории «поворот» предельная скорость выполнения маневра ограничивалась для всех моделей, кроме БКА-120, заносом задней оси, для названной модели — невписываемостью в размеченную траекторию. Предельные скорости буксировщиков в транспортном режиме при выполнении маневра «переставка» ограничивались невписываемостью в размеченную траекторию. Буксировщик БК-670 с буксируемым самосвалом Komatsu HD-1200 не вписывался в траекторию «переставка» при любых скоростях движения.
При прохождении размеченных траекторий «поворот» и «переставка» буксировщиками в режиме буксировки предельная скорость выполнения маневра ограничивалась требованиями безопасности буксировки.
Были выполнены расчеты показателей статической устойчивости исследуемых CATC, приведенные в табл. 5.12. Критические углы косогора по боковому скольжению и продольного уклона по буксованию ведущих колес и критическая скорость по боковому скольжению рассчитаны при коэффициенте сцепления 0,8, критические скорости по боковому опрокидыванию и боковому скольжению при установившемся круговом движении по траектории радиусом 25 м.
Анализ данных табл. 5.12 показывает, что большинство показателей статической устойчивости исследуемых CATC не превышает их нормативных значений для автомобилей общетранспортного назначения категорий N2 и N3. Исключение составляют CATC для перевозки жидких грузов КТЗ-20 и АОП-35, буксировщики БКА-110 и БКА-120, у которых коэффициент поперечной устойчивости ниже расчетного коэффициента поперечного сцепления.
С использованием приведенной в 2.1 математической модели выполнено исследование влияния на величины вертикальной динамической реакции на задних колесах автомобиля ГАЗ-24 «Волга», изменявшихся в широком диапазоне величин конструктивных параметров системы подрессо-ривания при различных возмущениях со стороны дороги: переезде единичной неровности и движении по периодически чередующимся неровностям ко синусоидального профиля, а также при движении по дорогам со случайным микропрофилем.
При расчетах за основной вариант были приняты конструктивные параметры базового автомобиля в стандартном исполнении; для целей исследования эти параметры изменялись от величины, вдвое меньшей, до величины, вдвое большей стандартного значения.
На рис. 5.22 представлены зависимости амплитуд вертикальных динамических реакций 2RzmHl/zQ, 2Ладин2/гои 2 динзАо при переезде единичной неровности от величин конструктивных параметров П системы подрессоривания, причем последние отложены не в абсолютных величинах, а виде отношений, выраженных в процентах, к соответствующим значениям параметров Пд реального (действительного) автомобиля ГАЗ-24 «Волга». Сравнение амплитуд динамических реакций при всех трех фазах вертикального перемещения колеса при переезде неровности (наезд на неровность, съезд с неровности, опускание на дорогу) производили при частотах, соответствующих максимальной динамической реакции 2Ягдин3/г0, достигаемым в области условного высокочастотного резонанса (v»F). При этих частотах амплитуды 2RZRmlfz0 и 27?гдин2/г0 не всегда достигали своих максимальных значений.
Анализ результатов, представленных на рис. 5.22, показывает, что уменьшение максимальных значений 2R2mte/z() может быть достигнуто в первую очередь снижением жесткости шин, затем увеличением коэффициента сопротивления амортизаторов, уменьшением неподрессоренной массы и увеличением жесткости рессор. Изменение величины подрессоренной массы практически не сказывается на величине вертикальной динамической реакции. Так, при уменьшении жесткости шин в два раза по сравнению с их жесткостью у реального автомобиля вертикальная динамическая реакция изменяется с 4,3 до 1,1 кН, т.е. в 3,9 раза, при таком же уменьшении неподрессоренной массы — с 4,3 до 3,3 кН, т.е. в 1,3 раза.
