Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальные вопросы повышения виброзащитных свойств подвесок автотранспортных средств (АТС) за счет изменения структуры и характеристик пневмогидравлических рессор и амортизаторов 15
1.1. Анализ основных направлений повышения виброзащитных свойств подвесок АТС 15
1.2. Виброзащитные свойства подвесок АТС с пневмогидравлическими рессорами (ПГР) 29
1.3. Виброзащитные свойства подвесок АТС с гидравлическими амортизаторами 44
1.4. Виброзащитные свойства подвесок АТС с пневматическими амортизаторами 50
1.5. Виброзащитные свойства подвесок АТС с инерционными амортизаторами 54
1.6. Цель и задачи исследования 55
2. Теоретические предпосылки повышения виброзащитных свойств подвесок АТС 57
2.1. Оценка виброзащитных свойств, синтез параметров и характеристик подвесок АТС по граничным передаточным функциям, рассчитанным для различных условий движения и норм вибронагруженности 57
2.1.1. Алгоритм оценки виброзащитных свойств подвесок АТС по граничным передаточным функциям 57
2.1.2. Анализ виброзащитных свойств подвесок АТС по граничным передаточным функциям 63
2.1.3. Синтез параметров подвески АТС по граничным передаточным функциям 68
2.2. Энергетический анализ совместной работы упругого и демпфирующего элементов подвески АТС 72
2.2.1. Сравнение амортизаторов с различными видами демпфирующих характеристик по коэффициенту эффективной работы (КЭР) 72
2.2.2. Анализ потоков энергии в цикле колебаний подвески АТС 80
2.2.3. Разработка алгоритма оптимального регулирования амортизатора с помощью принципа максимума Л. С. Понтрягина 86
2.3. Виброзащитные свойства подвесок АТС при регулировании амортизатора по фазе, направлению и частоте колебаний 93
2.4. Выводы по главе 2 107
3. Математические модели утечки газа через уплотнения, характеристик и виброзащитных свойств пневмогидравлической рессоры без разделителя (ПГРБ) 111
3.1. Методика расчета утечки газа через уплотнения ПГРБ 111
3.2. Методика расчета упругой характеристики ПГРБ 118
3.3. Методика расчета демпфирующей характеристики ПГРБ 122
3.4. Методика расчета трения уплотнений ПГРБ 130
3.5. Математическая модель подвески АТС с ПГРБ 136
3.6. Выводы по главе 3 138
4. Математические модели пгр и амортизаторов с новыми структурами и характеристиками 139
4.1. Математическая модель ПГРБ с двумя ступенями жесткости
упругой и демпфирующей характеристик (ПГРБ-2С) 139
4.1.1. Методика расчета упругой характеристики ПГРБ-2С 140
4.1.2. Методика расчета демпфирующей характеристики ПГРБ-2С 147
4.1.3. Методика расчета трения уплотнений ПГРБ-2С 152
4.1.4. Уравнения динамики подвески с ПГРБ-2С и их решение 161
4.2. Математические модели систем стабилизации упругих характеристик ПГР по температуре путем регулирования массы рабочего газа за счет энергии колебаний 163
4.2.1. Система стабилизации упругих характеристик ПГР с термочувствительным клапаном 164
4.2.2. Система стабилизации упругих характеристик ПГР с перепускным клапаном 171
4.3. Математические модели ПГР с саморегулируемыми демпферами 174
4.3.1. ПГР с маятниковым регулированием демпфирования по фазе колебаний 174
4.3.2. ПГР с маятниковым регулированием демпфирования по частоте колебаний 176
4.3.3. ПГР с регулированием демпфирования по амплитуде и направлению колебаний 186
4.4. Математические модели инерционно-фрикционных амортизаторов 190
4.5. Математические модели амортизаторов при комбинированном воздушно-гидравлическом демпфировании колебаний 192
4.6. Выводы по главе 4 195
5. Методики экспериментального исследования характеристик ПГР и амортизаторов, а также колебательных систем с этими объектами 196
5.1. Основной испытательный стенд 196
5.2. Методики экспериментального исследования внутренних процессов и характеристик ПГР 199
5.2.1. Методика экспериментального определения коэффициента переноса газа через уплотнения ПГР 199
5.2.2. Методика экспериментального определения утечки жидкости через уплотнения ПГР 206
5.2.3. Методика экспериментального определения сил трения уплотнений ПГР 209
5.2.4. Методика экспериментального исследования демпфирующих характеристик и виброзащитных свойств подвесок с ПГР 212
5.3. Методики экспериментального исследования виброзащитных свойств подвесок с саморегулируемыми демпферами ПГР 214
5.3.1. Методики экспериментального исследования виброзащитных свойств подвесок с ПГР при маятниковом и электромагнитном регулировании демпфирования по фазе колебаний 214
5.3.2. Методики экспериментального исследования виброзащитных свойств подвесок с ПГР при регулировании демпфирования
по частоте, амплитуде и направлению колебаний 218
5.4. Методики экспериментального исследования виброзащитных свойств подвесок с инерционно-фрикционными амортизаторами 220
5.5. Методики экспериментального исследования виброзащитных свойств пневматических подвесок с воздушным и гидравлическим амортизаторами 224
5.6. Выводы по главе 5 229
6. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование ПГР и амортизаторов 231
6.1. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование внутренних процессов и характеристик ПГРБ 231
6.1.1. Исследование утечки газа через уплотнения ПГРБ 231
6.1.2. Исследование влияния материала и способа изготовления уплотнений на утечку жидкости 240
6.1.3. Исследование упругой характеристики ПГРБ 241
6.1.4. Исследование силы трения уплотнений ПГРБ 244
6.1.5. Исследование демпфирующей характеристики ПГРБ 249
6.1.6. Исследование виброзащитных свойств ПГРБ 252
6.2. Расчетно-теоретическое исследование упругих характеристик и виброзащитных свойств ПГРБ-2С 257
6.2.1. Исследование упругих характеристик ПГРБ-2С 257
6.2.2. Исследование виброзащитных свойств ПГРБ-2С 261
6.3. Расчетно-теоретическое исследование устройств стабилизации упругих характеристик ПГР по температуре 263
6.4. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование виброзащитных свойств подвесок с саморегулируемыми демпферами ПГР 265
6.4.1. Исследование виброзащитных свойств подвесок с ПГР при регулировании демпфирования по фазе колебаний 265
6.4.2. Исследование виброзащитных свойств подвесок с ПГР при регулировании демпфирования по частоте колебаний 267
6.4.3. Исследование виброзащитных свойств подвесок с ПГР при регулировании демпфирования по амплитуде и направлению колебаний 271
6.5. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование виброзащитных свойств подвесок с инерционно-фрикционными амортизаторами 275
6.6. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование виброзащитных свойств подвесок с пневморессорами при воздушном и гидравлическом демпфировании колебаний 285
6.7. Выводы по главе 6 300
Общие выводы 306
Список литературы 309
- Виброзащитные свойства подвесок АТС с пневмогидравлическими рессорами (ПГР)
- Методика расчета демпфирующей характеристики ПГРБ
- Система стабилизации упругих характеристик ПГР с термочувствительным клапаном
- Методика экспериментального определения коэффициента переноса газа через уплотнения ПГР
Введение к работе
В настоящее время на отечественных автотранспортных средствах (АТС) применяются пассивные подвески, состоящие из упругих элементов и амортизаторов, характеристики которых не регулируются. Анализ таких подвесок показывает, что их потенциальные виброзащитные свойства не достаточны, так как в типичных условиях эксплуатации уровни вибраций различных АТС существенно выше допустимых. Связано это со следующим.
Во-первых, этому способствует специфика работы автомобильного транспорта, поскольку значительные объёмы перевозок грузов и пассажиров осуществляются в условиях неровных дорог: грузовыми автомобилями и автобусами в сельской местности, автосамосвалами БелАЗ в карьерах, лесовозами на лесоразработках, колесными и гусеничными машинами в местах нефте- и газодобычи, специальными АТС по пересеченной местности и т. д., где строительство специальных автомобильных дорог экономически не всегда целесообразно. В результате при эксплуатации грузовых автомобилей на неровных дорогах средняя скорость движения уменьшается на 40...50 %, межремонтный пробег сокращается на 35...40 %, расход топлива увеличивается на 50...70 %, а себестоимость перевозок возрастает на 50...60 % [265]. Увеличиваются потери виброчувствительных грузов, например, для плодоовощной продукции они достигают 15...30 %. В масштабах страны всё это приводит к ежегодным убыткам в сотни миллиардов рублей [52].
Во-вторых, это связано с тем, что применяемые на большинстве типов автомобилей пассивные подвески известных структур с нерегулируемыми характеристиками не могут обеспечить требуемые нормами виброзащитные свойства даже при эксплуатации АТС по ровным дорогам. Например, грузовые автомобили, особенно в снаряженном состоянии, не удовлетворяют уровню допустимой утомляемости, обеспечивающему сохранение производительности труда в течение 4 часов. Это является одной из причин множества аварий, связанных с утомляемостью водителей.
В-третьих, известные способы регулирования характеристик, применяемые, например, в активных подвесках некоторых зарубежных легковых автомобилей среднего и высшего классов, хотя и повышают плавность хода данных АТС, тем не менее, при движении по ровным дорогам не удовлетворяют уровню комфорта, обеспечивающему возможность чтения, письма и употребления пищи. Данные подвески требуют подвода энергии от двигателя и управления от бортового компьютера, что усложняет систему подрессоривания, снижает ее надежность и существенно повышает стоимость АТС, например, для Лексус RX300 - на $5000. Это сдерживает широкое внедрение данных типов подвесок на автомобилях массового производства. В связи с этим актуально создание простых и надежных саморегулируемых за счет энергии колебаний подвесок.
Таким образом, представленный анализ свидетельствует о том, что задача повышения виброзащитных свойств пассивных подвесок АТС с целью снижения вибраций до действующих норм и увеличения средних скоростей движения до сих пор не решена, она является крупной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.
Попытки решения данной проблемы путем оптимизации параметров пассивных подвесок известной структуры не обеспечивают достижение указанной цели. Поэтому для решения исследуемой проблемы необходима разработка новых теоретических предпосылок повышения виброзащитных свойств подвесок, позволяющих создавать подвески с новыми структурами и характеристиками для колесных и гусеничных машин различного назначения.
В настоящее время все пассивные подвески различных АТС можно объединить в три основные группы: металлические упругие элементы с гидроамортизаторами, пневморессоры низкого давления с гидроамортизаторами и пнев-могидравлические рессоры (ПГР) высокого давления. Поэтому в диссертации рассматриваются все эти группы подвесок, повышение виброзащитных свойств которых предлагается по следующим трем направлениям.
Первым направлением является разработка пневмогидравлических рессор, обеспечивающих саморегулирование жесткости упругой и демпфирующей характеристик в зависимости от режимов колебаний, а также высокую их стабильность по утечкам рабочей среды и при изменении температуры.
Вторым направлением является разработка гидравлических и инерционных амортизаторов, которыми можно заменить существующие нерегулируемые амортизаторы без изменения упругих и направляющих элементов подвески.
Третьим направлением является разработка пневматических подвесок с комбинированной воздушно-гидравлической демпфирующей системой.
Цель работы: повышение виброзащитных свойств подвесок различных АТС для снижения вибраций до действующих норм и увеличения средних скоростей движения за счет изменения структуры и характеристик пневмогидрав-лических рессор и амортизаторов.
Объекты исследования: серийные пневмогидравлические рессоры (ПГР) быстроходной гусеничной машины ВгТЗ со статической нагрузкой до 1,5 т и выполненные на их базе экспериментальные рессоры спортивного автомобиля КамАЗ и автосамосвалов БелАЗ; серийные и экспериментальные пневматические подвески автобусов "Волжанин" и ВЗТМ; серийные гидравлические амортизаторы легковых, грузовых и пассажирских АТС; экспериментальные саморегулируемые демпферы ПГР и инерционные амортизаторы различной структуры; автомобиль "Газель"-"Скорая медицинская помощь" с дополнительным инерционным амортизатором; автобус "ВЗТМ-32731" с гидравлическими и воздушными амортизаторами; расчетные модели плавности хода спортивного автомобиля КамАЗ с регулируемыми по фазе колебаний демпферами ПГР, автосамосвала БелАЗ со ступенчатым изменением жесткости упруго-демпфирующих характеристик ПГР, быстроходной гусеничной машины ВгТЗ с саморегулируемыми по амплитуде и направлению колебаний демпферами ПГР и автобуса ВЗТМ с пневматической подвеской и комбинированной воздушно-гидравлической демпфирующей системой.
Научная новизна работы состоит в разработке новых принципов создания подвесок автотранспортных средств, основанных на граничных передаточных функциях и методах энергетического анализа, на базе которых предложены подвески с новыми структурами и характеристиками, обеспечивающими самонастройку и стабилизацию этих характеристик в зависимости от режимов колебаний с учетом санитарно-гигиенических и иных требований. Новыми являются также:
1) теоретическое и экспериментальное доказательство существования в цикле колебаний подвески АТС зон неэффективной работы амортизатора, введение нового показателя - коэффициента эффективной работы (КЭР) амортизатора и его аналитическое определение для различных видов демпфирующих характеристик, теоретическое исследование величин и направлений потоков энергии в цикле колебаний с учетом зон неэффективной работы амортизатора;
2) разработка новых алгоритмов оптимального регулирования амортизатора по фазе, частоте и направлению колебаний, исключающих неэффективные зоны, и определение достигаемых при этом потенциальных виброзащитных свойств подвески;
3) теория внутренних процессов пневмогидравлических рессор (ПГР) без разделителя с учетом особенностей работы на жидкости с газом и разработанная на ее базе математическая модель подвески с 2-мя ступенями жесткости упругой и демпфирующей характеристик (ПГРБ-2С) для автосамосвалов БелАЗ;
4) аналитическое решение уравнений динамики линейной 2-х массовой одноопорной колебательной системы при гармоническом кинематическом возмущении, полученное с помощью метода тригонометрических преобразований;
5) математические модели ПГР и амортизаторов с новыми структурами и характеристиками, обеспечивающими повышение виброзащитных свойств и стабильности характеристик подвесок АТС различного назначения, а также увеличение их средних скоростей движения за счет применения:
- ПГР с саморегулированием демпфирования по фазе, частоте, амплитуде и направлению колебаний с помощью маятникового регулятора и за счет свободного хода плунжера для подвесок быстроходных гусеничных машин ВгТЗ и МТЗ;
- систем стабилизации упругих характеристик ПГР по температуре за счет саморегулирования массы рабочего газа с помощью дополнительного объема и термочувствительного и перепускного клапанов для подвесок быстроходных гусеничных машин ВгТЗ и МТЗ;
- инерционно-фрикционных амортизаторов с основным и дополнительным моментами трения на маховике для подвесок грузовых и пассажирских АТС;
- пневматической подвески с комбинированной воздушно-гидравлической демпфирующей системой для подвесок грузовых и пассажирских АТС;
6) пространственные модели плавности хода спортивного автомобиля "КамАЗ", быстроходной гусеничной машины ВгТЗ и автобуса ВЗТМ с подвесками новой структуры;
7) инженерные методики расчета параметров и характеристик структурных составляющих разработанных ПГР и амортизаторов для подвесок разных АТС.
Практическая значимость:
1). На базе разработанных теоретических предпосылок повышения виброзащитных свойств подвесок АТС выявлены причины недостаточной эффективности современных подвесок в сложных дорожных условиях и определены новые направления их совершенствования, в том числе за счет изменения структуры и характеристик пневмогидравлических рессор и амортизаторов.
2). Методика оценки виброзащитных свойств подвески по граничным передаточным функциям в отличие от известных методик позволяет оперативно и достаточно точно определять условия эксплуатации АТС, при которых соблюдаются нормы допустимых вибрационных воздействий, а методика синтеза - соответствующие допустимым нормам значения основных параметров подвески.
3). Открытие существования в цикле колебаний подвески зон неэффективной работы амортизатора позволяет с помощью предложенного коэффициента эффективной работы сравнивать различные амортизаторы и разрабатывать новые пути повышения виброзащитных свойств подвесок АТС.
4). Разработанный на основе принципа максимума Л.С. Понтрягина алгоритм оптимального регулирования амортизатора по фазе колебаний при любом законе кинематического возмущения обеспечивает создание подвесок новых структур, обладающих высокими виброзащитными свойствами.
5). Разработанная теория внутренних процессов ПГР без разделителя жидкости и газа позволяет на этапе проектирования более точно определять характеристики и виброзащитные свойства подвески, прогнозировать их изменение в процессе эксплуатации и рассчитывать параметры устройств стабилизации этих характеристик по утечкам рабочей среды и изменению температуры.
6). Применение разработанной ПГР без разделителя жидкости и газа с 2-я ступенями жесткости упругой и демпфирующей характеристик позволяет уменьшить в 2 раза число рессор в задней подвеске автосамосвала БелАЗ-548А при повышении плавности хода груженого и негруженого автомобиля, а также повышении стабильности упругих характеристик и ресурса рессоры.
7). Применение разработанных ПГР с демпферами, саморегулируемыми по амплитуде, направлению и частоте колебаний, и устройств стабилизации упругих характеристик по температуре на быстроходных гусеничных машинах ВгТЗ и МТЗ приведет к снижению вибронагруженности корпуса машины на за-резонансных режимах колебаний, уменьшению нагрева подвески и общих потерь энергии, увеличению средних скоростей движения и производительности.
8). Применение разработанных инерционных амортизаторов в подвесках грузовых автомобилей позволит существенно снизить собственную частоту и интенсивность колебаний кузова при сохранении высокой жесткости упругого элемента, необходимой для обеспечения заданной грузоподъемности подвески.
9). Применение разработанной пневматической подвески с комбинированной воздушно-гидравлической демпфирующей системой на пассажирских АТС приведет к повышению комфортабельности перевозок пассажиров, улучшению условий труда водителей, снижению мощности гидравлических амортизаторов, уменьшению стоимости подвески и повышению ее надежности.
10). Применение подвижных уплотнений, полученных методом точения из материалов ECORUBBER-2 и полиуретан № 0208, обеспечит значительное повышение герметичности и ресурса работы ПГР и амортизаторов.
11). Разработанные методики экспериментальных исследований на специально созданных лабораторных установках и стендовом оборудовании позволяют проводить всестороннее изучение упругих и демпфирующих элементов подвесок АТС при снижении общих затрат и времени испытаний.
Реализация работы. Работа выполнялась в рамках государственных бюджетных НИР ВолгГТУ № 32.075 "Поиск и исследование путей повышения эффективности НТС" и № 32.07 "Разработка вопросов совершенствования конструкций НТС", а также по х/д с предприятиями "ЗИЛ", "БелАЗ", "МТЗ", "ВгТЗ", "Баррикады", "Автопромсервис", "Аксиос", "ЭФВО", "ВЗТМ" и "Волжанин", которым переданы соответствующие отчёты. Имеется 12 актов внедрения: исследований характеристик и виброзащитных свойств ПГР для подвесок колесных и гусеничных машин на ПО "Баррикады" (1990 г.), ООО "ВМК ВгТЗ" (2003 г.), ПО "МТЗ" (2005 г.), ПО "БелАЗ" (2005 г.), РВВДКУ (2005 г.); результатов испытаний уплотнений из отечественных и зарубежных материалов в НПФ "Аксиос" (1999 г.); исследований по воздушному и гидравлическому демпфированию для пневматических подвесок автобусов на ЗАО "Автопромсервис" (2004 г.), ЗАО "ВЗТМ" (2004 и 2005 г.), ЗАО АП "Волжанин" (2005 г.); стенда для испытания упругих элементов подвесок АТС в ВолгГТУ (1990 и 1999 г.) - в учебных курсах "Техника эксперимента" и "Динамика движения", НИР и испытательной лаборатории университета "ИЛ ВолгГТУ", аккредитованной Госстандартом РФ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на науч.-практ. конф. ВолгГТУ (Волгоград, 1984-2005 г.), ВГСХА (Волгоград, 1985 г., 1987 г., 1997 г.), МАДИ (Москва, 1993 г.), БПИ (Брянск, 1994 г.), НГТУ (Нижний Новгород, 1994 г.), РВВДКУ (Рязань, 2005 г.); на регион, конф. молод, исслед. Волг. обл. (Волгоград, 1994-2004 г.); на международн. конф. ТУ (София, 1998 г.), ВолгГТУ (Волгоград, 1999 г., 2002 г, 2005 г.); на науч. семинарах ВолгГТУ (Волгоград, 2004 г., 2005 г.), МАМИ (Москва, 2005 г.); на заседаниях УМК УМО вузов по специальностям 170102 и 190201 (Волгоград, 2005 г.); на НТС НАТИ (Москва, 2005 г.); в конструкторских бюро МТЗ, БелАЗ, ВгТЗ, ВЗТМ, Волжанин.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 100 научных работах, включая монографию "Пневмогидравлические рессоры подвесок автотранспортных средств", учебное пособие "Техника эксперимента (при стендовых испытаниях подвесок и колес АТС)", 45 изобретений (13 а.с. и 32 пат. РФ) и 50 статей, в том числе 14 статей в журналах, входящих в "Перечень...".
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 268 наименований и 5 приложений. Работа содержит 334 страницы основного текста, 188 рисунков и 14 таблиц.
Основные положения, выносимые на защиту: 1) теоретические предпосылки повышения виброзащитных свойств подвесок АТС; 2) математические модели ПГР и амортизаторов с новыми структурами и характеристиками и модели плавности хода различных АТС; 3) методики экспериментального исследования ПГР и амортизаторов с новыми структурами и характеристиками и методика дорожных испытаний АТС; 4) результаты теоретического и экспериментального исследования виброзащитных свойств подвесок с новыми структурами и характеристиками и уровней вибраций на рабочих местах операторов различных АТС; 5) технические решения и инженерные методики расчета ПГР и амортизаторов с новыми структурами и характеристиками.
Виброзащитные свойства подвесок АТС с пневмогидравлическими рессорами (ПГР)
В настоящее время можно выделить четыре основных направления, по которым идёт совершенствование подвески АТС: 1) разработка пассивных подвесок с нерегулируемыми характеристиками для заданных условий эксплуатации; 2) разработка пассивных подвесок с регулируемыми характеристиками в зависимости от режимов нагружения и условий движения; 3) разработка активных подвесок, содержащих элементы (пневматические, гидравлические или электрические), к которым подводится энергия; 4) разработка гибридных подвесок, содержащих элементы активной и пассивной подвесок. Пассивные подвески с нерегулируемыми характеристиками являются наиболее распространенными на практике системами виброзащиты. Этому способствует простота их устройства, относительно высокая надежность и то, что в процессе эксплуатации они не требуют регулирования своих характеристик в зависимости от режимов нагружения и условий движения, а также подвода энергии для нормального функционирования. Однако потенциальные виброзащитные возможности таких подвесок ограничены, в результате с увеличением скоростей движения, особенно по неровным дорогам, они не обеспечивают соблюдения норм вибронагруженности не только людей, но и некоторых виброчувствительных грузов.
Пассивные подвески с регулируемыми характеристиками в отличие от нерегулируемых подвесок обеспечивают значительно более высокие характеристики плавности хода и устойчивости движения АТС. Среди них известны подвески с ручным и автоматическим управлением [67, 240]. При этом только автоматическое управление является адаптивным к постоянно меняющимся условиям эксплуатации. В настоящее время на некоторых зарубежных автомобилях высшего класса (Ситроен, Мерседес и др.) уже применяются автоматические системы с компьютерным управлением [240]. Однако более широкое применение таких систем сдерживается необходимостью усложнения конструкции АТС и значительным повышением ее стоимости. В связи с этим актуальна задача по разработке более простых и недорогих пассивных подвесок с саморегулируемыми за счет энергии колебаний характеристиками.
Активные подвески с подводом внешней энергии обеспечивают очень высокую степень виброзащиты на низких частотах, но на высоких частотах вследствие инерционности системы регулирования положения кузова их эффективность становится ниже пассивных подвесок [261]. Поэтому в настоящее время стали разрабатываться гибридные подвески, включающие, как правило, последовательно соединенные активные и пассивные элементы подрессорива-ния. Такие подвески обеспечивают эффективную виброзащиту во всем частотном диапазоне нагружения [260]. Однако высокая стоимость активных и гибридных подвесок, вследствие применения сложной электроники и гидропневматических элементов повышенной надежности, сдерживает их широкое применение.
Одним из путей снижения стоимости активных подвесок, по мнению авторов статьи [236], является поиск таких вариантов конструкций, которые обеспечивали бы АТС необходимую плавность хода без применения электроники. Авторами статьи предлагается гидропневматическая и пневматическая подвески с обратной связью по давлению, которые позволяют существенно снизить низкочастотные колебания кузова. Однако эти подвески требуют подвода энергии в виде жидкости или воздуха под давлением, что усложняет подвеску и ухудшает топливную экономичность АТС. Кроме того, пневматическая подвеска не способна гасить высокочастотные колебания колёс, т. е. необходимо дополнительно устанавливать гидравлические амортизаторы, что увеличит стоимость этой подвески. В связи с этим необходимо продолжить изыскания других путей совершенствования активных и гибридных подвесок, обладающих свойствами саморегулирования своих характеристик без подвода внешней энергии от двигателя АТС.
Таким образом, из проведённого анализа основных путей повышения виброзащитных свойств подвесок АТС можно выделить два наиболее перспективных направления: 1) разработка пассивных подвесок с саморегулируемыми характеристиками в зависимости от режимов нагружения и условий движения; 2) разработка гибридных подвесок с использованием энергии колебаний.
Наиболее просто регулирование упругих и демпфирующих характеристик пассивных подвесок осуществляется в системах подрессоривания с пнев-могидравлическими и пневматическими рессорами [193].
Пневмогидравлические рессоры (ПГР) высокого давления широко применяются в подвесках отечественных и зарубежных грузовых автомобилей особо большой грузоподъемности [1], на специальных вездеходных колесных и гусеничных машинах [198], а также на отдельных зарубежных автомобилях высшего класса [193]. Однако широкому использованию ПГР на других АТС препятствует нестабильность их характеристик вследствие влияния температуры и утечек жидкости и газа через уплотнения [192, 220]. Поскольку эти вопросы изучены не достаточно, то необходимо разработать теорию ПГР, учитывающую особенности происходящих в ней внутренних процессов, и на этой основе разработать ПГР с улучшенными характеристиками, саморегулируемыми в зависимости от условий эксплуатации.
Пневматические рессоры низкого давления с внешней системой регулирования положения кузова и гидроамортизаторами широко применяются в подвесках пассажирских АТС и на некоторых зарубежных грузовых автомобилях. Однако их виброзащитные свойства вследствие нерегулируемости характеристик гидроамортизаторов остаются недостаточными [83]. Одним из направлений повышения виброзащитных свойств таких подвесок является применение воздушного демпфирования, как дополнительного к гидравлическому способа поглощения энергии колебаний. При этом, в отличие от исследованных ранее способов увеличения эффективности пневморессор за счет подключения ресивера с оптимальным дополнительным объемом [77, 80, 193, 236, 252], желательно найти оптимальные параметры воздушных демпфирующих систем применительно к серийным пневматическим рессорам пассажирских АТС без изменения их габаритов.
Методика расчета демпфирующей характеристики ПГРБ
Таким образом, подвеска автомобилей БелАЗ является одним из наименее надёжных агрегатов, поэтому необходим поиск новых конструктивных схем ПГРБ с улучшенными эксплуатационными свойствами. При изыскании способов повышения виброзащитных свойств, стабильности характеристик и надежности ПГРБ необходимо знать особенности внутренних процессов и их влияние на ее выходные характеристики.
Л. И. Добрых, исследуя скорость процесса растворения технического азота в масле АУ при заправке рессоры автосамосвала БелАЗ-540 [68], установил, что первоначальное насыщение жидкости газом наиболее быстро происходит в течение первых двух минут. Полное растворение азота заканчивается через 4...5 часов работы рессоры, что связано с постепенным перемешиванием жидкости и сравнительно медленной диффузией газа из верхних, более насыщенных слоев жидкости, в нижние, менее насыщенные слои. Поэтому для получения расчетной упругой характеристики ПГРБ в нее необходимо заправить избыточное количество газа, а при разрядке рессоры газ из нее нужно выпускать медленно и в несколько приемов, так как при быстром падении давления жидкость вспенивается.
И. М. Рябов провел аналогичные исследования на физической модели ПГРБ и внес уточнение в уравнение упругой статической характеристики на растворимость газа в жидкости [220]. Им установлено, что растворение газа в жидкости при каждом сжатии рессоры и последующей длительной выдержке равносильно увеличению начального объема рабочего газа на величину, равную объему газа, который растворяется в жидкости при ее насыщении. В результате этого жесткость упругой статической характеристики уменьшается. Им также установлено, что отсутствие разделителя жидкости и газа является причиной утечки газа, который выносится через уплотнения рессоры вместе с утечкой жидкости прямого хода. Однако в работе приводится только качественная оценка влияния утечки газа на стабильность упругой характеристики и ее виброзащитные свойства, а предложенные зависимости позволяют определять утечку газа только в режиме жидкостного трения уплотнений, который не на всех режимах работы рессоры имеет место. Кроме того, в данной работе приведены результаты исследования изменения содержания газа в жидкости при резком уменьшении давления, но не показано, как это сказывается на изменении виброзащитных свойств и стабильности характеристик ПГРБ. Таким образом, проведенные И. М. Рябовым исследования внутренних процессов и характеристик ПГРБ являются не полными, так как в рецензируемой работе отсутствуют данные о влиянии содержащегося в жидкости газа на упругую динамическую и демпфирующую характеристики, трение уплотнений и виброзащитные свойства рессоры.
Работа ПГРБ на жидкости, содержащей газ, безусловно, отличается от работы на чистой жидкости. Однако в литературе по пневмогидравлическим рессорам эти вопросы изучены не достаточно.
Из опыта эксплуатации гидравлических амортизаторов [64, 65, 260] известно, что наличие газа в жидкости приводит к снижению демпфирующих свойств и увеличению инерционного сопротивления жидкости, вибрации клапанов и кавитационному разрушению деталей дроссельных устройств, нарушению масляной пленки в трущихся парах и их более быстрому износу. Однако большинство этих негативных явлений проявляется только при низких, близких к атмосферному, давлениях, при которых возможно парообразование жидкости. А. Д. Дербаремдикер в монографии [64] показывает, что изменение давления в рабочей камере амортизатора вызывает сжатие или растворение газовой компоненты рабочей смеси. Поэтому такой амортизатор является релаксационным, так как упругость газа работает последовательно с гидравлическим демпфированием. Однако проведенные им исследования доказывают, что такая механическая модель верна только при низких (до 1,0...1,5 МПа) давлениях. При более высоких давлениях, которые и применяются в ПГРБ, упругостью газовых пузырьков можно пренебречь. В этой же работе показано, что главной причиной уменьшения энергоемкости амортизатора является уменьшение плотности смеси по сравнению с чистой жидкостью. Аналогичное явление, по-видимому, происходит и в ПГРБ. Однако при течении смеси через дроссельное отверстие из жидкости рессоры в результате падения давления выделяется газ, что увеличивает объемный расход и вязкость смеси [151]. В результате по сравнению с гидравлическими амортизаторами неупругое сопротивление ПГРБ может даже повысится, что, безусловно, требует разработки соответствующей теории и экспериментальной проверки.
Процессы растворения и выделения газа из минеральных масел исследовались специалистами по гидроприводу [101, 151] и химиками [208]. Известны также данные о трении металлов при работе в низкомолекулярных углеводородных жидкостях с различным содержанием растворенных в них газов и воды [30]. Однако эти результаты не могут быть перенесены в область ПГРБ. Вопросы, связанные с исследованием трения уплотнений, изучались многими специалистами в области гидропривода [88, 89, 95, 98, 105, 248], в том числе и в области пневмогидравлических рессор [192, 222]. Однако в этой литературе отсутствуют данные о влиянии содержащегося в жидкости газа на силу трения уплотнений ПГРБ. Поэтому для оценки этого влияния необходимо проведение дополнительных экспериментальных исследований.
Виброзащитные свойства ПГР любых типов в значительной степени зависят от режимов работы подвески, связанных в основном с изменением внешней нагрузки, интенсивности деформаций рессоры и температуры. При этом перечисленные факторы оказывают существенное влияние на внутренние процессы ПГРБ, что определяет работоспособность данного типа рессоры и стабильность ее характеристик. Проанализируем каждый из этих факторов.
Изменение внешней нагрузки приводит к соответствующему изменению давления в ПГР. У нерегулируемых ПГР давление и приведенная высота столба газа изменяются вследствие деформации рессоры. У регулируемых ПГР объём и приведенная высота столба газа остаются постоянными, а давление изменяется вследствие регулирования массы рабочего газа. Нерегулируемые ПГР при заданной температуре и отсутствии утечек рабочей среды имеют одну упругую характеристику, а регулируемые ПГР - семейство упругих характеристик.
Изменение внешней нагрузки практически не влияет на демпфирующую характеристику ПГР, что отрицательно сказывается на плавности хода, особенно негруженых АТС, поскольку демпфирующая характеристика обычно рассчитывается на полностью груженый автомобиль. Поэтому для повышения виброзащитных свойств ПГР подвесок АТС, особенно с резко изменяемой подрессоренной массой, необходимо разработать новые конструктивные схемы, обеспечивающие саморегулирование уровня демпфирования при изменении степени загрузки автомобиля.
Система стабилизации упругих характеристик ПГР с термочувствительным клапаном
Гашение колебаний с помощью гидравлических амортизаторов основывается на превращении кинетической энергии в тепловую с последующим ее рассеиванием (диссипацией) в окружающую среду. При этом часть энергии, выделяющейся при истечении рабочей жидкости через отверстия демпфера, идёт на нагрев жидкости и деталей амортизатора.
На рис. 1.12 приведены экспериментальные кривые нагрева гидравлических амортизаторов гусеничной машины при ходовых испытаниях на скорости 21 км/ч и температуре окружающей среды 295 К [66]. Как видно из рис. 1.12, при установившемся режиме нагрева температура рабочей жидкости может достигать до 130 С уже через 15 км после начала движения. Такая высокая температура амортизаторов свидетельствуют о том, что значительная часть мощности двигателя расходуется не на движение АТС, а на гашение колебаний. Например, потери мощности в амортизаторах быстроходных гусеничных машин при некоторых режимах работы подвески могут достигать до 30 % мощности двигателя [66], а в подвеске легковых автомобилей - до 15 % [219].
Для снижения этих потерь необходимо правильно выбирать демпфирующую характеристику подвески, к которой предъявляются два противоречивых требования: 1) обеспечение нормативной плавности хода в соответствие с допустимым уровнем среднеквадратических ускорений на сиденье водителя во всём спектре частот возмущения; 2) обеспечение безопасности движения путем сохранения стабильного контакта шин с поверхностью дороги.
Анализ этих требований показывает, что для их удовлетворения при различных условиях движения демпфирующая характеристика должна быть регулируемой, что уже было отражено в п. 1.1. При отсутствии такого регулирования принимается обычно компромиссное решение между снижением безопасности движения и плавности хода путем оптимизации параметров демпфирующей характеристики на дроссельном и клапанном участках.
Выбору оптимальной характеристики амортизатора посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов [29, 49, 57, 62, 63, 64, 65, 67, 71, 83, 102, 152, 157, 193, 194, 195, 218, 219, 220, 238, 239, 247, 249, 254, 257, 265], однако эту задачу нельзя считать решённой. В работе [194] Я. М. Певзнер и А. Д. Конев на основании проведенных расчётов установили, что при движении по реальному однородному дорожному профилю величина минимума ускорений, достигаемая подбором коэффициента сопротивления амортизатора, практически не зависит от формы демпфирующей характеристики, т. е. несимметричная нелинейная (из-за работы разгрузочных клапанов) характеристика практически не имеет преимуществ по сравнению с симметричной линейной характеристикой. В то же время при переезде через неровность типа ступени пик ускорений ниже в подвеске с разгрузочными клапанами. Быстрота затухания колебаний после проезда ступеней практически одинакова как при наличии клапанов, так и без них, поскольку они при этом закрыты. Вследствие этого авторы утверждают, что полученные ими результаты облегчили подход к исследованию принципов автоматического регулирования амортизаторов, так как нет необходимости рассматривать варианты характеристик и методы изменения их параметров. Достаточно рассмотреть линейную симметричную характеристику при переменном коэффициенте сопротивления и найти те оптимальные значения, которые обеспечивают получение наилучших оценочных показателей. Реальная характеристика в процессе регулирования должна изменяться так, чтобы иметь средний коэффициент сопротивления, равный полученным оптимальным значениям. Однако в работе ничего не говорится о практической реализации данных предложений.
В работе [195] при сравнении линейной симметричной демпфирующей характеристики и нелинейной типа "насыщение", имеющей до открытия разгрузочных клапанов одинаковый с предыдущей коэффициент сопротивления, авторы установили, что при наложении на низкочастотные колебания кузова высокочастотных колебаний колёс такой же амплитуды в нелинейной подвеске происходит систематическое открытие разгрузочных клапанов и ослабление демпфирования низкочастотных колебаний почти в четыре раза. Эти результаты показывают, что обычные амортизаторы не обеспечивают эффективное гашения смешанных (низкочастотных и высокочастотных) колебаний. Поэтому необходим поиск новых структур амортизаторов. В работе [65] коллектива ученых МАДИ отмечается, что для получения оптимального с точки зрения плавности хода линейного сопротивления амортизаторов при изменении условий движения требуются непрерывное регулирование относительного коэффициента затухания у/ в пределах 0,25...0,6 - для грузовых автомобилей и 0,15...0,5 - для легковых автомобилей. При этом оптимальный по плавности хода коэффициент сопротивления применительно к сильно изношенным и грунтовым дорогам будет оптимальным и по безопасности движения. На хороших дорогах это совпадение двух требований не соблюдается. Поэтому необходимо либо принимать компромиссное решение и выбирать величину коэффициента сопротивления с учётом степени важности названных параметров, либо изменять структуру подвески, например, применяя динамические гасители колебаний колёс. Следует отметить, что при высоких скоростях движения на хороших дорогах указанные противоречия ослабевают. Кроме того, авторы данной работы отмечают, что вынужденная установка ограничительных клапанов сужает диапазон уровней возмущений, в котором обеспечивается демпфирование, удовлетворительное по плавности хода и безопасности движения.
Методика экспериментального определения коэффициента переноса газа через уплотнения ПГР
Разработан алгоритм оценки виброзащитных свойств подвески АТС по граничным передаточным функциям, на основании которого с использованием основного уравнения статистической динамики определены граничные по нормам вибронагруженности передаточные функции подвески для различных условий движения и проведено их сравнение с АЧХ различных автомобилей.
Оценка по данному алгоритму виброзащитных свойств подвесок легковых и грузовых автомобилей с номинальной нагрузкой в кузове показала, что при движении по ровным дорогам 8-ми часовые нормы вибронагруженности в основном удовлетворяются только для легковых автомобилей при движении со скоростью 70...90 км/ч, а при движении по разбитым дорогам нормы не выполняются для всех типов автомобилей, например, для легковых автомобилей -при скорости 30 км/ч в течение 8-ми часов, а для грузовых автомобилей - при скорости 10 км/ч в течение 2-х часов. При этом в негруженом состоянии виброзащитные свойства подвесок особенно грузовых автомобилей еще ниже.
На основании алгоритма оценки виброзащитных свойств подвески АТС разработана методика синтеза параметров подвески, с помощью которой выявлены основные направления и количественные характеристики изменения этих параметров. Во-первых, необходимо разрабатывать подвески с регулируемыми характеристиками в зависимости от условий движения, обеспечив при движении по ровным дорогам собственную частоту подвески не выше 2 Гц, а по разбитым - не выше 1 Гц, при этом коэффициент затухания должен быть не более 0,25 для зарезонансных колебаний и не менее 0,35...0,5 для зоны резонанса. Во-вторых, при невозможности регулирования характеристик подвески при движении АТС преимущественно по разбитым дорогам необходимо разрабатывать подвески, обеспечивающие снижение частоты собственных колебаний до 0,67 Гц и ниже (т. е. более чем в 1,5 раза) при коэффициенте затухания не более 0,25. В-третьих, при невозможности снижения собственной частоты путем соответствующего уменьшения жесткости упругого элемента подвески необходимо разрабатывать инерционные амортизаторы, обеспечивающие достижение требуемой частоты собственных колебаний за счет увеличения приведенной подрессоренной массы.
На основании анализа осциллограммы колебаний подвески при кинематическом гармоническом возмущении выявлены зоны неэффективной работы амортизатора, в которых амортизатор не тормозит, а толкает подрессоренную массу. Причиной возникновения указанных зон является фазовый сдвиг между абсолютными и относительными колебаниями подрессоренной массы, или с точки зрения анализа дифференциальных уравнений - фазовый сдвиг возмущающей функции относительно кинематического возмущения. Ширина этих зон увеличивается с ростом частоты и коэффициента затухания колебаний. В частности, для резонанса при относительном коэффициенте затухания 0,5 ширина 2-х зон неэффективной работы достигает 25 % от периода колебаний. 5. Введено понятие коэффициента эффективной работы (КЭР) амортизатора, как отношения эффективной работы к полной работе за цикл колебаний, и выведены формулы для расчёта КЭР линейного, квадратического и кубического амортизаторов и демпфера сухого трения. Самым высоким КЭР в режиме резонанса (99 % - при относительном коэффициенте затухания у/ = 0,2 и 79 % -при ц/ = 1) обладает кубический амортизатор, а самым низким (96 % - при = 0,2 и 72 % - при у/= 1) - демпфер сухого трения. С повышением уровня демпфирования и частоты колебаний КЭР амортизатора уменьшается. 6. Раскрыты особенности распределения энергии в цикле колебаний, в том числе в характерной общей точке семейства АЧХ при относительной частоте, равной л/2, в которой при разных коэффициентах затухания от возбудителя гармонических колебаний и от подрессоренной массы к амортизатору подводятся равные по величине и противоположные по знаку энергии, поглощаемые им полностью и преобразуемые в тепло, т. е. амортизатор в этой точке не передает энергию от возбудителя колебаний к подрессоренной массе. 7. На основе принципа максимума Л. С. Понтрягина разработан алгоритм оптимального регулирования амортизатора, обеспечивающий минимизацию колебаний подрессоренной массы одномассовой одноопорной колебательной системы при произвольном законе кинематического возмущения. 8. На основании энергетического анализа выявлены следующие направления повышения виброзащитных свойств подвески АТС: 1) разработка быстродействующих устройств, отключающих амортизатор в зонах его неэффективной работы, что обеспечивает КЭР амортизатора, близкий к единице; 2) разработка устройств, отключающих амортизатор в зарезонансной зоне колебаний, где КЭР нерегулируемого амортизатора минимален; 3) разработка амортизаторов с демпфирующими характеристиками более высокого порядка; 4) разработка амортизаторов с рекуперацией энергии в цикле колебаний, обеспечивающих в зонах неэффективной работы реверсирование силы сопротивления. 9. Проведенные теоретические исследования одномассовой одноопорной колебательной системы по выявлению потенциальных свойств мгновенного регулирования демпфирования показали, что: 1) отключение неупругого сопротивления в зонах неэффективной работы амортизатора обеспечивает более высокие виброзащитные свойства, чем изменение в этих зонах направления действия силы (при отсутствии эффекта "перерегулирования"), и при этом потенциальная АЧХ вертикальных колебаний подрессоренной массы является "нерезанирующей" (т. е. без характерного резонансного пика) с коэффициентом усиления Ъг = 0,76 при относительной частоте /= 1 и оптимальной максимальной величине коэффициента затухания тах= 0,9;
