Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор состояния вопроса. Постановка задач исследования 12
1.1 Актуальность проблемы повышения качества виброзашитных систем АТС. Влияние колебаний на организм человека, безопасность движения, долговечность автомобиля . 12
1.2 Критерии оценки воздействия вибрации на организм человека. Нормирование плавности хода автомобиля 14
1.3 Расчет показателей качества виброзащитных систем АТС. Обзор существующих математических моделей виброзащитных систем и программных средств 17
1.4 Современные тенденции в конструировании виброзащитных систем автомобилей. Виброзащитные системы с управляемыми параметрами 21
1.5 Проблемы оценки качества виброзащитных систем автомобиля. Цель и задачи исследования 23
ГЛАВА 2 Экспериментальное исследование закономерностей формирования процесса колебаний автомобиля и его скоростного режима на дорогах с повышенным уровнем неровностей 30
2.1 Цель экспериментальных исследований.. 30
2.2 Аппаратура для исследования колебаний автомобиля 31
2.3 Экспериментальное исследование колебаний автобуса КАВЗ-3976 в реальных условиях эксплуатации 35
ГЛАВА 3 Разработка методов расчета показателей качества нелинейных виброза щитных систем автомобиля с переменными параметрами с учетом многообразия условий эксплуатации 42
3.1 Особенности оценки качества нелинейных виброзащитных систем и виброзащитных систем с управляемыми параметрами 42
3.2 Оценка плавности движения автомобиля 48
3.3 Оценка долговечности упругих элементов 64
3.4 Сравнительные интегральные показатели плавности движения автомобилей и долговечности упругих элементов их подвесок .71
3.5 Оценка возможности возникновения нештатной ситуации в виброзащитной системе автомобиля 81
3.6 Оценка виброзащитных свойств автомобиля при проезде единичных неровностей 99
3.7 Показатели качества виброзащитных систем автомобиля, характеризующие его способность быстро двигаться по дорогам с повышенным уровнем неровностей 110
3.8 Программный комплекс для исследования виброзащитных систем автомобиля 117
ГЛАВА 4. Исследование возможности повышения качества передней рессорной подвески автомобиля при ограниченной длине рессоры 125
4.1 Постановка задачи 125
4.2 Комплекс сравнительных показателей качества вариантов передней подвески 127
4.3 Повышение качества подвески за счет автоматического управления амортизаторами 138
4.4 Исследование возможности повышения качества подвески за счет нелинейности ее демпфирующей и упругой характеристик 147
Основные выводы и результаты ..160
Список литературы
- Критерии оценки воздействия вибрации на организм человека. Нормирование плавности хода автомобиля
- Аппаратура для исследования колебаний автомобиля
- Сравнительные интегральные показатели плавности движения автомобилей и долговечности упругих элементов их подвесок
- Комплекс сравнительных показателей качества вариантов передней подвески
Введение к работе
Колебания автомобиля, вызванные его движением по неровной дороге, приводят к ухудшению его эксплуатационно-технических качеств, и к тем большему, чем выше уровень неровностей дороги. По данным А.И. Гришкевича, при эксплуатации грузовых автомобилей на дорогах с повышенным уровнем неровностей их средняя скорость движения уменьшается на 40...50 %, а себестоимость перевозок возрастает на 50...60 %. Особенностью дорожной сети РФ является относительно малая протяженность дорог с твердым покрытием, что в сочетании с огромной территорией и разбросанностью населенных пунктов диктует необходимость создания виброзащитных систем (ВС) автомобилей (подвеска, сиденья), способных эффективно работать при изменении условий эксплуатации автомобиля в широких пределах. Разработка таких ВС должна базироваться на расчетных методах, позволяющих оценивать плавность движения автомобиля, долговечность элементов ВС, способность автомобиля быстро двигаться по дорогам с высоким уровнем неровностей. Эти методы должны учитывать закономерности формирования процесса колебаний автомобиля и его скоростного режима в реальных условиях эксплуатации.
Масса водителя и пассажиров, подрессоренная масса автомобиля в процессе его эксплуатации меняются случайным образом, следовательно, и параметры ВС, зависящие от этих масс, будут являться переменными случайными параметрами. Для повышения эффективности ВС желательно изменять ее параметры при изменении величины подрессоренной массы автомобиля и дорожных условий. В современном автомобилестроении наблюдается тенденция к применению ВС с управляемыми параметрами. В этом случае параметры демпфирующих и упругих характеристик ВС меняются с изменением условий эксплуатации автомобиля. Принимая во внимание вышесказанное, необходимо при разработке методов оценки качества ВС автомобиля рассматривать ее как систему с переменными случайными параметрами (нестационарную систему).
По мере продвижения автомобиля по маршруту происходит чередование отдельных участков дороги с существенно различающимися статистическими характеристиками микропрофиля, при этом случайным образом меняется и скорость движе-
5 ния автомобиля. В силу этих причин возмущающее воздействие на автомобиль со стороны дороги, колебания автомобиля при его движении по маршруту большой протяженности уже нельзя рассматривать как стационарные случайные процессы. В реальных условиях эксплуатации колебания автомобиля могут быть представлены в виде последовательности реализаций различных стационарных случайных процессов, каждой из которых соответствует сочетание фиксированных значений параметров R, характеризующих условия эксплуатации - тип дороги, параметры микропрофиля, скорость движения автомобиля, величина подрессоренной массы автомобиля.
Принято рассчитывать показатели качества ВС автомобиля, характеризующие различные его эксплутационные свойства, зависящие от уровня колебаний (плавность движения автомобиля, долговечность элементов ВС и несущей системы, скоростные свойства автомобиля и т.д.), полагая, что при фиксированных значениях параметров R, задающих режим эксплуатации автомобиля, имеет место стационарный случайный процесс его колебаний. Основным показателем качества ВС является среднее квадратическое значение (с.к.з.) корректированных по частоте виброускорений человека на сиденье Se (определяется по ОСТ 37.001.275-84), которое характеризует плавность движения автомобиля. При сравнительной оценке плавности движения различных вариантов ВС проектируемого автомобиля сопоставляют зависимости ЗДі?), найденные для этих вариантов и представленные в виде графиков или
таблиц. Такой подход может быть использован при испытаниях автомобиля или на завершающей стадии проектирования его ВС, когда из каких либо соображений уже выбрано небольшое число вариантов ВС и необходимо определить лучший из них. Но даже в этом случае часто невозможно сделать однозначный вывод о соотношении качества анализируемых вариантов ВС, т.к. при одном режиме эксплуатации лучше оказывается один вариант, а при другом режиме другой вариант ВС. На начальной стадии проектирования ВС необходимо подвергнуть сравнительному анализу большое количество вариантов с целью определения наилучшего. Решение этой задачи путем сравнения множества многомерных функций Sd[R) (і - индекс варианта ВС),
определяющих зависимость показателя плавности движения автомобиля от параметров, задающих его режим эксплуатации, крайне затруднительно.
Описанный выше подход к оценке плавности движения автомобиля позволяет определить оптимальные по плавности движения параметры ВС для конкретного режима эксплуатации автомобиля или зависимость оптимальных параметров ВС от параметров R, характеризующих режим эксплуатации. Однако перед проектировщиком стоит более широкая задача - поиска параметров, оптимальных не для конкретного режима, а для всей совокупности режимов эксплуатации. Эту задачу можно решить только с использованием интегрального показателя вибронагруженности человека при действии на него нестационарной вибрации. ГОСТ 12.1.012-90 «Вибрационная безопасность. Общие требования» содержит положения, используя которые, можно разработать метод оценки плавности движения автомобиля при описанной выше структуре нестационарного процесса его колебаний, имеющей место в реальных условиях эксплуатации, с использованием интегрального показателя вибронагруженности водителя (пассажиров), учитывающего продолжительность и интенсивность действия на человека вибраций при различных эксплуатационных режимах. Экспериментальное исследование закономерностей формирования процесса колебаний автомобиля в реальных условиях его эксплуатации и разработка на этой основе (с использованием положений ГОСТ 12.1.012-90) метода оценки плавности движения автомобиля при нестационарном процессе его колебаний имеет важное значение, т.к. позволит ставить и решать задачу поиска оптимальных для всей совокупности эксплуатационных режимов автомобиля параметров ВС, оптимизировать алгоритмы управления параметрами при использовании ВС с автоматической системой управления.
При эксплуатации автомобиля на дорогах без твердого покрытия его скоростные свойства в значительной степени зависят от качества ВС, т.к. водитель выбирает скорость движения автомобиля таким образом, чтобы ограничить собственную вибронагруженность, вибронагруженность пассажиров и перевозимого груза. ОСТ 37.001.291-84 предусматривает для оценки влияния колебаний автомобиля на его скоростные свойства использование предельно допустимой скорости по вибрацион-
7 ным условиям труда водителя - скорости, при которой показатель плавности движения автомобиля достигает предельно-допустимого значения. Однако на выбор водителем скорости автомобиля оказывает влияние не только плавность его движения, но и возможность возникновения при выбранной скорости движения нештатной ситуации в ВС, при которой имеет место пробой подвески или возникают большие по величине пиковые ускорения водителя (пассажиров). Водитель стремится не допустить возникновения нештатной ситуации, уменьшая при необходимости, скорость автомобиля перед проездом участка дороги, содержащего неровности, способные вызвать такую ситуацию.
Таким образом, автомобиль с мягкой подвеской, обеспечивающей высокую плавность движения, будет двигаться по дороге с высоким уровнем неровностей с малой скоростью, если из-за недостаточной энергоемкости подвески вероятность пробоя подвески при повышенной скорости движения будет высокой. В качестве показателей, характеризующих способность автомобиля двигаться без возникновения нештатной ситуации, используют вероятность пробоя подвески, вероятность появления вертикальных ускорений, превышающих некоторый предельно-допустимый уровень, или среднее значение в единицу времени числа нештатных ситуаций при фиксированном режиме эксплуатации автомобиля. Существующие методы расчета этих показателей базируются на теории выбросов стационарных нормальных случайных процессов. Эти методы могут быть использованы при линейных упругих и демпфирующих характеристиках ВС, если же эти характеристики нелинейны, то законы распределения фазовых координат колебательной системы будут определяться видом этих характеристик и могут существенно отличаться от нормальных, что делает неприемлемым в этом случае использование вышеописанных методов.
Существует практика использования нелинейных характеристик ВС с целью уменьшения вероятности возникновения нештатной ситуации: для снижения вероятности пробоя подвески легкового автомобиля используют буфер сжатия, выполняющий роль не только ограничителя хода подвески, но и дополнительного упругого элемента, повышающего ее энергоемкость; для уменьшения вероятности возникновения больших по величине ускорений подрессоренной массы используют амортиза-
8 "Пры с разгрузочными клапанами и несимметричной (коэффициент сопротивления амортизатора на ходе сжатия подвески меньше, чем на ходе отбоя) демпфирующей Характеристикой. Отсутствие методов, позволяющих оценить эффективность использования нелинейных характеристик в ВС с целью снижения вероятности возникновения нештатной ситуации, затрудняет проектирование таких нелинейных ВС.
Экспериментальные исследования влияния колебаний автомобиля на формирование его скоростного режима при эксплуатации на дорогах без твердого покрытия, разработка методов оценки возможности возникновения нештатных ситуаций в не-лшейных ВС и создание на этой основе методики оценки способности автомобиля быстро двигаться по дорогам с высоким уровнем неровностей является важной практической задачей, решение которой позволит создавать ВС для автомобилей, значительная доля пробега которых приходится на дороги без твердого покрытия, обеспечивающие их высокую производительность.
Цель исследования: разработка методов расчета показателей качества нелинейных ВС автомобиля с переменными (в частности, с управляемыми параметрами), учитывающих многообразие реальных условий эксплуатации автомобиля и неста-цлонарность возмущающего воздействия на автомобиль со стороны дороги.
Объект исследования: нелинейная ВС автомобиля.
Предмет исследования: числовые характеристики процесса колебаний автомобиля, характеризующие качество его ВС.
Методика исследования: при выполнении теоретических исследований использовались основные положения теории вероятностей, теории случайных процессов, математической статистики, статистической динамики и теории колебаний транспортных средств. Экспериментальные исследования проводились в дорожных условиях с применением специальной аппаратуры и методов математической статистики для обработки результатов эксперимента.
Научная новизна:
1. Разработан метод расчета с.к.з. корректированных по частоте вертикальных виброускорений человека на сиденье, которое в соответствии с ОСТ 37.001.291-84 является показателем плавности движения автомобиля при стационарном процессе
9 его колебаний. Новизна метода заключается в том, что при расчете этого показателя используется весовой фильтр, амплитудная частотная характеристика которого удовлетворяет определенным требованиям.
Разработан метод оценки плавности движения автомобиля с учетом многообразия условий эксплуатации. В качестве интегрального показателя вибронагру-женности водителя, пассажира используется эквивалентное с.к.з. корректированных по частоте виброускорений человека. Такой показатель регламентирован ГОСТ 12.1.012-90 для оценки действия на человека нестационарной вибрации. При расчете этого показателя колебания автомобиля при его эксплуатации представляются в виде последовательности реализаций различных стационарных случайных процессов, каждому из которых ставится в соответствие сочетание параметров, характеризующих условия эксплуатации автомобиля: величина подрессоренной массы автомобиля, параметры спектральной плотности возмущающего воздействия на автомобиль со стороны микропрофиля дороги. Эти параметры рассматриваются как случайные величины. Условия эксплуатации автомобиля описывает закон распределения этих параметров, который и выступает в качестве исходных данных для расчета.
Разработан метод расчета показателей качества нелинейных ВС, характеризующих возможность возникновения при заданном режиме эксплуатации автомобиля нештатной ситуации (вероятность пробоя подвески, среднее число пробоев подвески в единицу времени, вероятность отрыва шин от поверхности дороги и т.д.). Для расчета этих показателей необходимо знать законы распределения фазовых координат ВС. Особенность нелинейных ВС заключается в том, что законы распределения их фазовых координат (перемещения, ускорения масс) формируются в зависимости от вида нелинейных характеристик системы и могут существенно отличаться от нормальных. Новизна метода заключается в том, что при расчете этих показателей законы распределения фазовых координат в области их больших отклонений от математических ожиданий определяются при моделировании нелинейных колебаний автомобиля с использованием реализаций возмущающего воздействия со стороны микропрофиля дороги большой длительности, измеряемой в тысячах секунд.
Разработан метод оценки долговечности упругих элементов нелинейных ВС. Для таких систем закон распределения амплитуд напряжений в упругом элементе зависит от вида нелинейных характеристик. Новизна метода заключается в том, что закон распределения амплитуд напряжений в упругом элементе и среднее число циклов нагружения в единицу времени определяются в ходе моделирования колебаний автомобиля с использованием реализации возмущающего воздействия со стороны микропрофиля дороги большой длительности.
Разработан метод оценки способности автомобиля быстро двигаться по дорогам без твердого покрытия. В основу метода положены закономерности формирования скоростного режима автомобиля при его эксплуатации на таких дорогах, полученные в ходе экспериментальных исследований влияния колебаний автомобиля на выбор водителем скорости его движения в реальных условиях эксплуатации.
Практическая ценность. Метод расчета с.к.з. корректированных по частоте виброускорений человека на сиденье, основанный на использовании весового фильтра, позволяет на порядок уменьшить затраты машинного времени по сравнению с методами расчета, использующими для этих целей спектральный анализ реализации виброускорений человека. Особенно явно проявляется преимущество этого метода при оптимизации параметров ВС, когда необходимо подвергнуть анализу очень большое количество вариантов.
Метод оценки плавности движения автомобиля с учетом многообразия условий эксплуатации с помощью интегрального показателя плавности движения позволяет ставить и решать задачу поиска оптимальных параметров ВС не для конкретного режима эксплуатации, а для совокупности типичных для данного автомобиля эксплуатационных режимов, для заданных законом распределения параметров, характеризующих режим эксплуатации. Используя интегральный показатель плавности движения автомобиля, можно оптимизировать алгоритм управления параметрами при использовании ВС с автоматическим управлением параметрами.
Метод оценки способности автомобиля быстро двигаться по дорогам без твердого покрытия, метод оценки возможности возникновения нештатной ситуации в нелинейной ВС направлены на создание ВС, позволяющих повысить производи-
тельность автомобиля, снизить себестоимость перевозок при эксплуатации на таких дорогах, в частности, за счет использования нелинейных характеристик, уменьшающих вероятность возникновения нештатных ситуаций при высоких скоростях движения.
Разработанная методика оценки качества ВС автомобиля, программный комплекс для исследования нелинейных нестационарных ВС могут быть использованы в практике работы конструкторских подразделений на предприятиях автомобильной промышленности. Результаты, полученные в ходе исследования возможностей повышения качества передней подвески серийного автобуса КАВЗ-3976, могут быть использованы для повышения плавности движения серийно выпускаемого автобуса, а также при проектировании подвесок новых автобусов КАВЗ.
Реализация. Разработанный комплекс показателей качества ВС автомобиля, а также практические рекомендации по повышению качества передней подвески серийного автобуса КАВЗ-3976 планируется использовать в практике работы конструкторского отдела ООО «Курганский автобусный завод», результаты работы также используются в Курганском государственном университете при подготовке студентов автомобильных специальностей.
Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на IV всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, 2006 г.); IV всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Красноярск, 2006 г.); на заседаниях кафедры «Автомобили» Курганского государственного университета (2004-2006 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано девять научных трудов, в том числе одна статья в издании, входящем в «Перечень... ВАК».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 74 наименований и приложения. Работа содержит 198 страниц машинописного текста, 43 рисунка и 10 таблиц.
Критерии оценки воздействия вибрации на организм человека. Нормирование плавности хода автомобиля
Разработка критериев количественной оценки плавности хода на протяжении многих лет остается предметом научной дискуссии, этой теме посвящено значительное число работ, как ранних [21, 28, 40,41, 44, 45, 52-54, 58, 73], так и более поздних [15, 20, 29]. В качестве критериев оценки предлагается использовать поглощенную мощность, передаваемую от сиденья к человеку, скорость перемещений, ускорения, третью производную от перемещений. С появлением в 1974 г. международного стандарта ИСО 2631 [28] общепринятым стал метод оценки плавности хода по частотно-зависимым восприятиям виброускорений человеком, с двумя видами оценки: дифференциальной, по частотным третьоктавным полосам в диапазоне частот 0,7...90 Гц и интегральной, с приведением всего спектра воздействующих на человека колебаний к полосе частот 4...8 Гц в соответствии с характеристикой чувствительности человека к вибрациям.
Эти положения реализованы и в отечественной нормативной литературе по вибрационной безопасности. Так, согласно ОСТ 37.001.291-84 «Автотранспортные средства. Технические нормы плавности хода» [41] показатели плавности хода АТС должны определяться по результатам измерений вертикальных и горизонтальных (продольных и поперечных) виброускорений на сиденье водителя и виброускорений в характерных точках подрессоренной части АТС. В стандарте в табличной форме заданы предельные с.к.з. корректированных по частоте виброускорений на сиденье в зависимости от типа дороги для автомобилей разных типов, а также предельные с.к.3. вертикальных виброускорений в характерных точках подрессоренной части АТС.
Порядок проведения лабораторно-дорожных испытаний плавности хода образцов новых или модернизируемых АТС установлен в отраслевом стандарте ОСТ 37.001.275-84 «Автотранспортные средства. Методы испытаний на плавность хода» [40]. Испытания на плавность хода предписывается осуществлять путем проведения заездов по участкам дорог трех типов (цементобетонная, булыжная мощенная, булыжная с выбоинами), для каждого типа дороги в зависимости от типа АТС уста новлены значения скорости движения при испытаниях. Оценка плавности хода осуществляется путем сопоставления фактических показателей плавности хода с предельно-допустимыми по ОСТ 37.001.291-84. В качестве показателя вибрационных условий труда водителя допускается использование предельно допустимой скорости движения АТС, при которой с.к.з. корректированных виброускорений достигают предельных величин.
Движущиеся по дорогам со случайным микропрофилем транспортные средства подвержены действию широкополосной и непостоянной вибрации. Оценка вибро-нагруженности человека при такой ситуации регламентируется ГОСТ 12.1.012-90 «Вибрационная безопасность. Общие требования» [15]. Действие нестационарной вибрации на человека оценивается через дозу вибрации и эквивалентное среднее квадратическое значение контролируемого параметра (в данном случае - корректированных по частоте виброускорений), в стандарте приведены формулы для расчета этих показателей.
Практика применения положений вышеперечисленных стандартов выявила недостатки существующего подхода к оценке вибронагруженности, главным образом в вопросах неучета действия вибрации по трем координатным осям одновременно, а также из-за сложности выполнения при помощи этого стандарта сравнительной оценки плавности хода нескольких АТС [20, 30]. Это привело к соответствующей модификации критерия оценки вибронагруженности: в последней редакции ИСО 2631-1-97 вибронагруженность водителя и пассажира предлагается оценивать только интегрально - по величине взвешенного с.к.з. ускорений по одной оси, той, где оно больше всего (как правило, вертикальной оси Z). При превышении уровней взвешенных виброускорений по двум другим осям 25 % взвешенного виброускорения по оси, где оно больше всего, оценка вибронагруженности выполняется по правилам векторного сложения, т.е. с учетом действия вибрации по трем координатным осям одновременно [30]. Разработанный на основе ИСО 2631-1-97 стандарт ГОСТ 12.1.012-2004 в настоящее время вводится в действие.
В работе [29] поставлена проблема сравнительной оценки плавности хода автомобиля, оснащенного разными типами подвесок, в том числе и активной, на этапе проектирования, и в этой связи предлагается интегральный оценочный критерий, учитывающий как распределение пробега автомобиля по дорогам различных типов, так и распределение скоростей движения по дороге определенного типа. В качестве испытательного цикла для расчета интегрального оценочного критерия авторы предлагают использовать ездовые циклы движения для испытаний на топливную экономичность, имеющиеся в отечественных и зарубежных нормативных документах по топливной экономичности.
Необходимой составляющей количественной оценки плавности хода является учет экстремальных виброударных воздействий (пик-фактора), существенное влияние которых на самочувствие водителя и пассажиров АТС, а также на экспертную оценку плавности хода при езде по неровным дорогам отмечено авторами многих работ [8, 20]. В настоящее время каких-либо нормативных рекомендаций по учету пик-фактора при оценке колебаний автомобиля нет. Ряд исследователей [2, 17, 61, 67] отмечают наличие определенной связи между скоростью движения автомобиля и уровнем его колебаний. В работе [17] указывается, что скорость автомобиля ограничена величиной среднего квадратического значения вертикальных ускорений во-дителя на сиденье в диапазоне частот 0...5 Гц 2,5 м/с , в работе [61] - величиной среднего квадратического значения вертикальных ускорений водителя на сидении 2 м/с .
Аппаратура для исследования колебаний автомобиля
Рассмотрим подробнее функции весового фильтра ВФ. В соответствии с ОСТ 37.001.275-84 оценка действующих на человека вертикальных ускорений производится с помощью среднего квадратического значения корректированных по частоте виброускорений человека на сиденье S jtDj-Kl, (2.1) где Dj - дисперсия ускорений для у-ой третьоктавной полосы частот ускорений; К- весовой коэффициент для j -ой полосы частот, п - число обобщаемых третьоктавных полос.
В статье [59] показано, что если процесс изменения во времени вертикальных ускорений человека на сиденье az(t) подвергается преобразованию линейной динамической системой (весовым фильтром) с амплитудной частотной характеристикой, значения которой при средних геометрических частотах j -ых третьоктавных полос совпадают со значениями весовых коэффициентов К для этих полос, то на выходе этого фильтра получим корректированные по частоте ускорения aze(t), среднее квадратическое значение этих ускорений Saze будет приближенно равно значению Se, определенному по формуле (2.1). Оценка среднего квадратического значения корректированных по частоте виброускорений человека на сиденье Se рассчитывается по реализации процесса а2 (t) ускорений человека на сидении длительностью Т следующим образом. Преобразованные датчиком в напряжение ускорения az{t) пропускаются через весовой фильтр. На выходе фильтра получим напряжения, пропорциональные корректированным по частоте виброускорениям aze(t), тогда S «S = - fa2 «Л = Р-Уу , где N - число измерений ускорений aze за время Т; azei - значение ускорений при / ом измерении. На рис. 2.3 показана электрическая схема весового фильтра, выполненная на операционных усилителях. Параметры схемы имеют следующие значения: CI = 0,105 мкФ, С2 = 0,094 мкФ, СЗ = 0,235 мкФ, С4 = 0,047 мкФ, R1 = 1625 кОм, R2 = 569 кОм, R3 = R4 = 270 кОм, R5 = 93,4 Юм.
В разделе 3.2 и в работе [59] приведено более детальное обоснование такого подхода к определению Se, приведена оценка погрешности расчета Se. При расчете Se по формуле (2.1) предварительно необходимо провести спектральный анализ реализации ускорений аг для определения дисперсии D}, для этого требуются достаточно большие затраты машинного времени. Для обеспечения достоверности выводов о закономерностях формирования процесса колебаний автомобиля в ходе экспериментальных исследований необходимо подвергнуть анализу многие сотни реализаций процесса ускорений человека на сиденье. Описанный выше подход к определению Se позволит многократно сократить затраты времени на отработку результатов эксперимента.
С целью определения закономерностей формирования процесса колебаний автомобиля и его скоростного режима на дорогах с повышенным уровнем неровностей были проведены экспериментальные исследования. В качестве объекта испытаний выступал автобус КАВЗ-3976. При его движении по маршруту водители разной квалификации и возраста выбирали скорость движения автобуса самостоятельно, так, как это происходит в реальных условиях эксплуатации. С помощью описанной выше аппаратуры регистрировались процессы изменения во времени скорости движения автобуса Va, вертикальных ускорений водителя на сиденье az, вертикальных корректированных по частоте с помощью весового фильтра ВФ ускорений водителя на сиденье аа и вертикальных ускорений кузова под водительским сиденьем ау. Маршрут состоял из дорог различных типов общей протяженностью более 500 км. Полученные в ходе эксперимента данные загружались в персональный компьютер для обработки.
Общее время движения автобуса по маршруту разбивалось на интервалы длительностью Т = 30 с. Для каждого / -го интервала определялись оценки дисперсий ускорений Dej, D , D , оценки средних квадратических значений ускорений Sej, $ ] Sayj (корень квадратный из соответствующих оценок дисперсий) и средняя за время 7 скорость движения автобуса Vaj.
Полученные массивы значений оценок статистических характеристик виброускорений и скорости движения автобуса рассматривались как выборки случайных величин и подвергались дальнейшей обработке.
Дороги были разбиты на три типа: 1 тип - дороги с низким уровнем неровностей (асфальтированные дороги вне черты города); 2 тип - дороги со средним уровнем неровностей (щебеночные дороги и профилированные грунтовые дороги); 3 тип - дороги с высоким уровнем неровностей (грунтовые непрофилированные дороги).
Сравнительные интегральные показатели плавности движения автомобилей и долговечности упругих элементов их подвесок
Режим эксплуатации автомобиля определяется типом дороги, по которой он движется, значением подрессоренной массы М автомобиля, параметрами спектральной плотности К (а) возмущающего воздействия q{t) на автомобиль со стороны микропрофиля дороги, которая может быть представлена в виде K4(a) = DgkH{co,Q), где Dq - дисперсия возмущающего воздействия для диапазона частот со ...оо; kH{co,Q) - нормированная спектральная плотность; Q - параметры нормированной спектральной плотности.
Дисперсия Dq определяет уровень, а параметры Q - частотный состав возмущающего воздействия.
Например, если спектральная плотность процесса q(t) аппроксимируется выражением [21,43] A VNr » = -4 -. (3-19) CD где A , Nq - параметры микропрофиля, V - скорость автомобиля, то А/" - "ґШ -і) шп V g V a "rx(N -і) mm V q / Z),= )Kq(co)dco = еЛ ФУ где comin - нижняя граница частотного диапазона, в котором рассматриваются колебания автомобиля, вызванные движением по неровной дороге. В соответствии с ОСТ37.001.275-84 сотп =0,7-2лг рад/с.
При фиксированных значениях параметров R\M,Dq,Q), характеризующих режим эксплуатации автомобиля, имеет место стационарный случайный процесс его колебаний, для которого может быть вычислен показатель качества виброзащитной системы U, например, дисперсия Д или среднее квадратическое значение корректированных по частоте виброускорений человека на сидении Se =уД , дисперсия D вертикальных ускорений кузова, фактор нагруженности упругого элемента F или его ресурс Г и т.д. Параметры R при эксплуатации автомобиля меняются случайным образом, и, следовательно, показатель U является величиной случайной, т.к. зависит от случайных величин U = U(M,D4,Q).
Для дороги определенного типа параметры Q меняются в узких пределах и при расчете U их можно принять равными средним для заданного типа дороги значениям, тогда показатель Uk (к - индекс дороги А:-типа) будет зависеть от случайных величин М и D Uk=Uk{M,Dq). (3.20)
Если пренебречь статистической связью этих случайных величин, то дифференциальный закон их распределения f\M,D) можно представить как произведение дифференциальных законов распределения массы fM\M) и дисперсии fDq\Dq) ЛмА)=Гм(М)фч). Математическое ожидание показателя качества определяется по формуле max л max Uk=M[Uk] = \uk{M,Dq)fM(M)fDq{Dq)dMdDq. Если распределение массы М задано статистическим рядом Mt, Рш, і =1... i max, ., AM ., AM указывающим вероятность Рш попадания массы в диапазон Mt , М,. н , и распределение D так же задано статистическим рядом )., PD , j=\...jmix, то /max J іmax , ч /max Uk « I Zf/Дм,.,Dw)PMPDv = lUkiPMi, (3.21) /=i j=\ ./max I что Af = M;). /=i j=\ /=i j шал і где Ukl= YMkWi D -)PDJ - условное математическое ожидание Uk (при условии,
Расчет Uk по этой формуле требует больших затрат машинного времени. Ниже приведен приближенный метод расчета Uk, затраты машинного времени на его реализацию значительно меньше затрат времени при использовании формулы (3.21).
Разложим зависимость (3.20) в ряд Тейлора в окрестности точки т, координаты которой равны математическим ожиданиям аргументов, и сохраним в разложении члены ряда не выше 2-го порядка. Применив к полученному ряду оператор математического ожидания, пренебрегая статистической связью аргументов, получим формулу для расчета математического ожидания показателя t/ [11] \ d2Ut Ml V,=Ut(m)+ VSDlj, дМ2 2 где D[M] , D [Dq J - дисперсии аргументов.
Производные и значение функции Uk(m) вычислены в точке m]M,Dq,Ql,Q2,...j, где M,Dq,Q],Q2,... - математические ожидания аргументов. Вторые производные вычисляются с использованием методов численного дифференцирования: вычисляются значения функции Uk{-) в ряде узлов интерполирования, строится интерполяционный многочлен и вычисляются вторые производные от этого многочлена. Например, при трех узлах интерполирования [24] Гд%) „Uk{M-AM,Dq)+Uk(M + AM,Dq)-2Uk(m) дМ2 AM Ґ1ІТТ \ д%] _и$,-Щ,м)+ик{р, + Щ,м)-2ик(т) dD] AD2 где AM, ADq - шаг изменения Мий. ЬМ = К$М=КУмМ: 4=W=W; где Su, SD , vM, vD - соответственно средние квадратические значения и коэффициенты вариации случайных величин М и Dq; kM, kD - коэффициенты пропорциональности. Тогда
Комплекс сравнительных показателей качества вариантов передней подвески
При исследовании возможности повышения качества передней подвески автобуса КАВЗ производилось сравнение показателей качества рассматриваемых вариантов подвески с показателями качества подвески серийно выпускаемого автобуса.
При оценке плавности движения автобуса, долговечности рессоры использовались интегральные показатели, которые рассчитываются с учетом доли пробега автобуса по дорогам различных типов, при этом параметры спектральной плотности возмущающего воздействия со стороны микропрофиля дороги и подрессоренная масса рассматриваются как величины случайные. Закон распределения подрессоренной массы был принят равномерным. При сравнительной оценке плавности движения используются относительные показатели EDM=DeZDe0 -100%, D где De, De0 - средние значения (математические ожидания) дисперсий корректированных по частоте виброускорений водителя на сиденье для рассматриваемого варианта подвески и для подвески серийного автобуса; D , D - математические ожидания дисперсий вертикальных ускорений передней части кузова автобуса для рассматриваемого варианта подвески и для подвески серийного автобуса. В разделе 3 (см. п. 3.4) приведена методика расчета этих показателей. Для сравнительной оценки долговечности рессор используется показатель ЕТ --100%, т где Т, Т0 - долговечность рессор рассматриваемого варианта подвески и подвески серийного автобуса. Методика расчета ЕТ приведена в разделе 3 (п. 3.3).
При расчете этих показателей автомобильные дороги были представлены тремя типами: 1 - дороги с низким уровнем неровностей (дороги с твердым покрытием); 2 - дороги со средним уровнем неровностей (дороги с переходным покрытием и грунтовые профилированные дороги); 3 - дороги с высоким уровнем неровностей (не-профилированные грунтовые дороги). Спектральные плотности возмущающего воздействия этих дорог аппроксимированы выражением )= =ДАИ (4Л) со где Dq - дисперсия возмущающего воздействия для диапазона частот согЫа...со (# =0,7-2 рад/с); кн{со) - нормированная спектральная плотность возмущающего воздействия ( \кн (o))dco = 1), (» min mm \ q J кн(й)) = О)" Дисперсия D и среднее квадратическое значение S зависят от параметров микропрофиля дороги N , Aq и скорости автомобиля V D, = „»; „ л 8,=№ (4.2). со mm При эксплуатации автомобиля на дороге определенного типа дисперсия возмущающего воздействия D является величиной случайной, т.к. параметры микропрофиля дороги и скорость автомобиля, от которых она зависит, случайным образом меняются по мере продвижения автомобиля по дороге. Закон распределения D на дорогах с повышенным уровнем неровностей в значительной степени определяется свойствами виброзащитной системы автомобиля, т.к. его скоростной режим на таких дорогах в существенной мере зависит от качества этой системы. Однако для достижения сопоставимости результатов расчета интегральных показателей плавности движения автомобиля и долговечности рессор упругих элементов подвески необходимо их расчет производить при одинаковом возмущающем воздействии со стороны микропрофиля дороги, а точнее, при одном и том же законе распределения Dq, в качестве которого выбран закон распределения Dq для серийного автобуса КАВЗ. В табл. 4.1 приведены статистические характеристики законов распределения Dq - математические ожидания Dq и коэффициенты вариации vD для указанных типов дорог для серийного автобуса КАВЗ. Они получены с использованием описанного в разделе 3 (п. 3.4) метода и результатов экспериментального исследования закономерностей формирования процесса колебаний автобуса в реальных условиях эксплуатации, приведенных в разделе 2.
В таблице приведены также доли пробега а и средние значения скоростей движения Va автобуса по дорогам указанных типов. Эти данные получены при обобщении результатов исследования условий эксплуатации автобуса с использованием заводских данных и результатов проведенных исследований закономерностей формирования скоростного режима автобуса. В таблице также приведены средние значения Nq, Aq параметров Nq, Aq микропрофиля указанных типов дорог, полученные при анализе опубликованных в работах [21, 43, 53] данных о микропрофиле автомобильных дорог.
Для оценки способности автобуса быстро двигаться по дорогам с повышенным уровнем неровностей (2 и 3 тип дороги) используются два показателя - предельная скорость VaL3 движения автобуса по дороге с высоким уровнем неровностей (тип до роги 3) при полной загрузке автобуса и средних значениях параметров микропрофиля дорог этого типа и предельное значение средней скорости движения автобуса на дорогах с повышенным уровнем неровностей (дороги 2 и 3 типов) VM при полной загрузке автобуса, при которой динамический ход подвески имеет наименьшее значение и скорость автомобиля в значительной мере ограничивается из-за высокой вероятности пробоя подвески.
Предельная скорость движения Улг равна наибольшей скорости, при которой средние квадратические значения корректированных по частоте вертикальных ускорений водителя на сидении Se не превышают допустимое значение [Se\ и среднее значение числа нештатных ситуаций в виброзащитной системе за один час движения пи не превышает допустимого значения [пн ]. Нештатная ситуация при движении по дороге с высоким уровнем неровностей и полной загрузке автомобиля возникает при пробое подвески или при превышении вертикальными ускорениями водителя на сидении допустимого уровня [az ].
