Разработка и исследование динамики активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортных машин тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

0050510*°

Захаренков Николай Владиленович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ АКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ ПРОДОЛЬНО-УГЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

01.02.06-Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ПАР 2013

Омск-2013

005051025

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» на кафедре «Основы теории механики и автоматического управления»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

СОРОКИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АВЕРЬЯНОВ ГЕННАДИЙ СЕРГЕЕВИЧ ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет (ОмГТУ), зав. кафедрой «Авиа- и ракетостроение»

кандидат технических наук, доцент СЕМЕНОВА ИРИНА АНТОЛЬЕВНА ФГБОУ ВПО Сибирская автомобильно-дорожная академия, доцент кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод»

Ведущая организация: Кузбасский государственный технический

университет им. Т.Ф. Горбачева

Защита состоится " 29 " марта 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.06 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», адрес: 644050, г. Омск, Проспект Мира, 11, ауд. 6-340

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Автореферат разослан "2.8 "февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.06 кандидат технических наук, профессор

В.Н. Бельков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость максимального повышения плавности хода автомобиля и безопасности его движения, в связи с ростом средних эксплуатационных скоростей, ставит задачу создания рациональной конструкции подвески и ее эксплуатационных характеристик в число важнейших задач современного автомобилестроения.

Возникающие при движении автомобиля колебания, вызванные неровностями дороги, оказывают влияние не только на комфорт водителя, плавность хода и управляемость автомобиля, но также на ряд других эксплуатационных показателей. При эксплуатации транспортных машин на дорогах с неудовлетворительным состоянием поверхности средняя скорость движения уменьшается на 40-50%, межремонтный пробег - на 35-40%, расход топлива увеличивается на 50-70%, а себестоимость перевозок — на 50-60%.

Работы по созданию подвесок ведутся как в направлении исследования новых схем, так и по пути создания упругих элементов новых типов и повышения их долговечности. Разработка конструкций в этих направлениях привела к созданию управляемых подвесок и активных систем демпфирования с применением пневматических и гидропневматических упругих элементов.

Управляемые подвески открывают принципиально новые возможности для подавления колебаний транспортных машин и одновременного повышения показателей плавности хода и управляемости.

В связи с этим, работа, посвященная разработке и исследованию активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортных машин, носящая технико-экономический и социальный характер, является актуальной.

Настоящая работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории «Волновая механика» при кафедре Основы теории механики и автоматического управления Омского государственного технического университета.

Цель работы - разработка и исследование активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины, работающей совместно с пассивной подвеской.

Задачи исследования:

- обосновать и построить математическую модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний;

- провести исследование математической модели транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний;

- разработать и построить экспериментальный комплекс для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний;

- провести экспериментальные исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний с пневмоприводом;

-разработать практические рекомендации проектирования активных систем демпфирования транспортных машин.

Объект исследования — активная система демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины.

Предмет исследования - динамические закономерности совместной работы штатной пассивной подвески и активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний подрессоренной массы транспортной машины.

Методы исследования: обзор, анализ и обобщение результатов исследований и опытно-конструкторских работ; теоретические исследования основаны на методах механики твердого тела, теории колебаний, прикладной газовой динамики и приближенных методах исследования нелинейностей; численные методы решения нелинейных задач, основаны на пакетах прикладных программ для ЭВМ; экспериментальные исследования.

Научная новизна работы:

- обоснованы параметры и построена математическая модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

- получены результаты теоретических исследований колебаний транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

-установлены закономерности движения элементов экспериментального комплекса для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием классических теорий механики твёрдого тела, жидкости и газа; обеспечивается соответствующим выбором расчетных моделей, использованием адекватного математического аппарата и применением современной вычислительной техники и программного обеспечения; подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

- математическая модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

-результаты теоретических исследований колебаний транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

- конструкция и алгоритм работы элементов экспериментального комплекса для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины;

- результаты исследований активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно с пассивной, выполненных на разработанном экспериментальном комплексе.

Практическая ценность работы:

- в научно обоснованном техническом решении способа построения активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины, работающей совместно с ее штатной, пассивной системой;

- в возможности использования полученных данных при проектировании управляемых подвесок транспортных машин, что позволит создавать автомобили с повышенными показателями плавности хода, управляемости и тягово-динамическими характеристиками;

- в разработке экспериментального комплекса позволяющего исследовать новые способы построения и алгоритмы управления активной системой демпфирования колебаний, отслеживать характер и масштаб протекающих процессов и формировать реальную картину динамики колебаний транспортных машин.

Реализация работы:

- результаты экспериментальных исследований на комплексе для исследования активных систем демпфирования переданы отделу стендовых испытаний завода ОАО «Автомобильный завод «УРАЛ»;

- результаты исследований используются в учебном процессе ОмГТУ по специальности 190600.62 - Сервис транспортно-технологических машин и комплексов.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на Региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время - взгляд в будущее», Омск, 2010 г.; V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО "Полет" A.C. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники», Омск, 2010 г.; XXX Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 65-летию Победы, Миасс, 2010 г.; Региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион месторождение возможностей», Омск, 2011 г.; XXXI Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий, Миасс, 2011г.; IV международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование», Улан-Удэ, 2011 г.; Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», Омск, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 полезная модель, 11 статей, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (164 наименования), изложенных на 132 страницах машинописного текста, поясняется 65 рисунками, 4 таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность. Представлена структура работы и ее объем.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса, систематизирован отечественный и зарубежный опыт применения и исследования систем подвесок транспортных машин.

Большой вклад в развитие конструкций подвесок и изучение динамики автомобилей внесли такие известные ученые как: П.В. Аксенов, Б.Н. Белоусов, А.Н. Густомясов, Д.С. Кэрноп (США), Р.В. Ротенберг, Р.И. Фурунжиев, H.H. Яценко и другие ученые.

Дана краткая классификация и описание конструкции подвесок, проанализированы требования предъявляемые к ним, а также их достоинства, недостатки.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе обоснована и построена математическая модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний учитывающая:

- работу дополнительных упругих элементов подвески в виде резинокордных оболочек (РКО);

- процессов наполнения и опорожнения РКО сжатым воздухом;

- влияние сил сухого трения в подвеске.

При рассмотрении колебаний грузового автомобиля можно принять ряд допущений, которые упрощают анализ. Поскольку независимые переменные изменяются в продольной плоскости, оставаясь постоянными в поперечной, можно рассматривать только плоскостную расчетную схему колебаний транспортной машины. Дале принято, что грузовая платформа с ее несущим элементом (рамой), грузом и надстройками является твердым телом, имеющим продольную плоскость симметрии, в этом случае деформациями рамы на изгиб можно пренебречь.

На рис. 1 показана эквивалентная схема автомобиля. Она состоит из трех масс: подрессоренной Мп, рассматриваемой как твердое тело; неподрессоренные массы от/ и т2 соединенные с подрессоренной массой через упругие элементы, имеющие жесткость 2С/> соответствующие упругому устройству подвески, амортизаторы с коэффициентом сопротивления 2/ла, характеризующим демпфирующее свойство подвески,

и элемент создающий в подвеске силу сухого трения Гтр, а также РКО с давлением Ри■ Неподрессоренные массы связаны с дорогой через шины, имеющие жесткость 2С,„. Эта величина характеризует радиальную жесткость шины.

Для колебательной системы (рис. 1) принято, что вертикальные силы передаются кузову только через упругие элементы и амортизаторы, что справедливо для автомобилей с рессорными зависимыми подвесками. Выбранная эквивалентная система имеет четыре степени свободы.

Рис. 1. Эквивалентная трехмассовая система автомобиля: М„ - подрессоренная масса;

J„ - момент инерции подрессоренной массы относительно центра масс;

т, - неподрессоренные массы; </, - высота гармонических неровностей; Ь - база транспортной машины; 1 - упругий элемент; 2 - амортизатор; 3 - элемент, характеризующий сухое трение; 4 - РКО.

Уравнения движения составлены при следующих основных допущениях:

- колебания кузова и колес малы;

- величина жесткости и коэффициенты демпфирования постоянны, а колеса обкатываются по микропрофилю дороги, сохраняя точечный, но постоянный контакт с ее поверхностью;

- оси масс автомобиля совпадают с главными осями эллипсоида инерции;

- на автомобиль действуют только вертикальные силы, а горизонтальная плоскость, в которой лежат центры колебаний, проходит через центр тяжести подрессоренной массы;

- силы тяжести подрессоренной и неподрессоренных масс уравновешиваются силами упругости подвески и шин.

Тогда, составив уравнения равновесия для подрессоренной и неподрессоренных масс, получим систему нелинейных дифференциальных уравнений (1).

7.

ч

х

м„20 +2(//а| +ра2)г0+2[(сл +с])+(с,,2+с2)]г0+2(//о1/,-¿иа212)Ф+ + 2(Сл/:-Сп12)р-2МаА -2С„£, -2^ -2С,.2С2 +

+ 2ЗД + 2С,С, - 2С2£2 - 2СМ + 2С212(р + ^> + 2 и,/, + + 2[(Су)] + С,)/, +(С/,2 + С2)/2]г0 +

+ 2(«я1/,2 - д^ + г^,,,/,2-С1>21$р-2цаХ1£х-2СРи, --2д,2/2С2 -2СР212£2 = + 25^2 + 2С.ЛС. " 2С2/2^2 - ^ (1)

-2^/^ + 2^ + ^;

ЩС\ +2//о1^, +2(СУМ +С„(1)С,-1цаХ2й-2Ср{1й-2цл1хф-1Сп1х(р--2Э^фР: +23:>фР2 +С|4"] -С24"2 = 2С,„|^] +/г„/;;

+ 2+ 2(С/>2 + С,«2 & " ~ 2Си20 - 2^а2/2(;!> -- 2СГ212<р - 25^ + 25^ Я2 + С2^2 - С2С2 = 2С,(,2?2 + Ртр. где: г, <р - линейные и угловые перемещения массы М„; ./„ - момент инерции подрессоренной массы относительно центра масс; С- перемещение неподрессоренных масс; С/», С„„ С), С2 - коэффициенты жесткости РКО, шин и рессор; /ла - коэффициент сопротивления амортизатора; //,„ - коэффициент сопротивления шины; 5,ф - эффективная площадь РКО; Ри(Ф>0 - давление в РКО;

Ртр(Ф) - сила сухого трения возникающая в элементах подвески.

Проведя математические преобразования и приняв во внимание, что центр масс автомобиля в нагруженном состоянии практически совпадает с центром упругости, можно обоснованно принять допущение о независимости продольно-угловых колебаний от вертикальных колебаний подрессоренной массы из-за симметричности подвески. Эта особенность позволяет раздельно подавлять продольно-угловые и вертикальные колебания подрессоренной массы. С учетом данной особенности и учитывая, что неподрессоренные массы по сравнению с подрессоренной малы, выражение, описывающее продольно-угловые колебания подрессоренной массы можно представить в виде:

.2 - Р. '

ф+2к9ф+0)<р^=д<р +

тр.

(2)

где 0,=^-|(сл +(С,2 +СгУ2Сг + МоМ, - возмущающая

функция продольно-угловых колебаний;

- парциальный коэффициент затухания продольно-

п

угловых колебаний подрессоренной массы;

СОф— 2(Г,,,+Г,УГ+2(С;,

+сгу] - парциальная частота продольно-угловых

колебаний подрессоренной массы.

Левая часть уравнения (2) описывает свободные продольно-угловые колебания подрессоренной массы, а правая часть, возмущающую функцию.

Главный задающий фактор возмущений - неровности опорной поверхности дороги. Воздействие дорожных неровностей на автомобиль является случайным процессом. Однако неровности дороги при исследовании колебаний автомобиля рассматриваются как детерминированное гармоническое возмущение. При движении машины по периодическим неровностям для подавления продольно-угловых колебаний подрессоренной массы дополнительные силовые элементы активной системы демпфирования следует включать и выключать попеременно в противофазе профилю дороги. Для повышения быстродействия активной системы демпфирования управление процессами наполнения и опорожнения РКО осуществляется по угловой скорости колебаний подрессренной массы. На рис. 2 приведена принципиальная схема системы автоматического управления.

Ф

ф>а

-а<ф<а

ф<-а

Реле 1

Реле 1,2

Реле 2

Икл

Выкл

Вык.|

г;

Пк-л

эмк

/I—л' г-1/.

РКО

Р \

ГрЧ

ЭМК ¿1М РКО 2

-V ,

Рис. 2. Принципиальная схема системы управления: 1 - датчик угловой скорости; 2 - логическое устройство; 3 - реле; 4 - электромагнитный клапан; 5 - РКО; 6 -система компрессор-ресивер; 7 - выход воздуха в атмосферу.

Система управления работает следующим образом. В случае определения логическим устройством 2, что ф>а, где а - порог зоны нечувствительности, то Реле 1 включает ЭМК 1 на подачу давления воздуха от ресивера в РКО 1 и выключает ЭМК 2, открывая выход воздуха из РКО 2 в атмосферу. При нахождении сигнала угловой скорости в интервале -а <ф<а оба электромагнитных клапана открываются на сброс воздуха в атмосферу.

Приняв, что процессы наполнения и опорожнения РКО происходят в надкритрческом режиме и, пренебрегая постоянной времени электромагнитного клапана, система нелинейных дифференциальных уравнений для оценки динамики продольно-угловых колебаний будет иметь вид:

хР, + Р, = Рр тРг + Р2 = Ра гРг + Р2=Рр

если ф> 0;

если ф<0.

тЬ + Р, = Ра

а

где т — постоянная времени.

Система, представленная уравнениями (3) содержит три нелинейности, что усложняет задачу анализа. Для ее решения были приняты следующие допущения:

- кинематическое возмущение при угловых колебаниях передается одновременно первой и второй оси, т.к. угол наклона подрессоренной массы автомобиля меняется одновременно относительно центра масс, т.е. <71 и <7г равны;

- нелинейность силы трения по сравнению с нелинейностью системы автоматического управления мала настолько, что ей можно пренебречь;

- резинокордные оболочки наполняются и опорожняются с равными постоянными времени г, т.е. работают симметрично на сброс и наполнение воздухом, а также имеют одинаковые геометрические параметры.

Таким образом, РКО передней и задней оси можно формально представить в виде одного двуполостного элемента установленного на одной оси. При этом рабочее давлением в одной камере будет равно +Рр а в противоположной минус Рр. Такое представление рабочего давления позволяет описать переключение процессов наполнения и опорожнения РКО при помощи функции sgn(Pp).

Учитывая допущения и приняв, что амортизаторы и пружины работают в двух направлениях с одинаковыми коэффициентами демпфирования и жесткости, тогда упрощенная модель автомобиля с активной системой демпфирования примет вид (рис. 3). Данная система обладает свойствами исходной.

Рис. 3. Упрощенная модель автомобиля с активной системой демпфирования: 1 - полость с давлением минус Рр; 2 - полость с давлением Рр; 3 - место крепления подрессоренной массы снизу; 4 - место крепления подрессоренной массы сверху; 5 - пневмо-магистраль; 6 - электромагнитный клапан.

ч V

1ГЛ

Учитывая принятые допущения, система нелинейных дифференциальных уравнений для оценки динамики продольно-угловых колебаний с активной системой демпфирования примет вид:

,2,

ф + 2 К ^ + со> = - 2ЗД12/121

А,7 + Р\, 2 =

"Г РАгСС^г+^г))

(4)

где Р 1_2 - приведенное давление в РКО; Лд — длина базы от центра качания до элементов подвески. Применив метод гармонической линеаризации для выражения (4) и получив решение системы уравнений (3) численным методом, с использованием пакета программ «МАТЬАВ» с расширением «БтиПпк» (рис. 4), получены АЧХ колебаний подрессоренной массы автомобиля Урап-43206 (рис. 5, 6).

Едичичиое воздействие

Сипа трения 5>дя

ф«—0

Возмущение первой сси

в

6о1муи«чие второй ос«'

а

А

—П

±

о*

1/

Рис. 4. Блок-схема моделирования нелинейной системы уравнений

О ........,,,.,,.!,,,

О 6 12 18 25 31 37 43 50 56 Ы,рад/С Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика продольно-угловых колебаний машины при работе активной системе демпфирования совместно с пассивной: 1 - полученная численным методам; 2 - полученная с помощью метода гармонической линеаризации.

Из полученных графиков можно сделать вывод об удовлетворительной сходимости результатов двух методов решения.

Рис. 6. Результаты численного решения системы уравнений (3): а - вид переходного процесса; б - колебания подрессоренной массы на частоте 9,23 с"1; 1 - стандартная пассивная подвеска; 2 - при введении активной системы демпфирования.

Для оценки адекватности математической модели использованы данные, полученные другими исследователями, на реальных автомобилях. Р.В. Ротенберг приводит АЧХ машины с подрессоренной массой 3060 кг. В этом случае, масштабирующий коэффициент будет равен 4,04.

Амплитудно-частотная характеристика продольно-угловых колебаний машины при введении масштабирующего коэффициента представлена на рис. 7.

Сравнение АЧХ колебаний подрессоренной массы автомобиля, с учетом масштабирующего коэффициента, показало, что расхождение не превышает 8%.

Результаты исследования математической модели позволяют сделать вывод о том, что введение активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний уменьшает амплитуду вынужденных колебаний, и что особенно важно, на низких частотах, на которых стандартные и модифицированные системы пассивного демпфирования малоэффективны.

о • • ....., . . ....................0 | .............

О в 1} 18 5$ 31 37 43 50 5« ох под/с о 6 12 18 25 31 37 43 50 56 и,рад/с

а) 6)

Рис. 7. Результаты моделирования: а) АЧХ продольно-угловых колебаний машины при работе только пассивной системы: 1 - для автомобиля Урап-43206; 2 - для эталонного автомобиля; б) АЧХ продольно-угловых колебаний машины: 1- при неработающей активной системе демпфирования; 2 - при работе активной системы демпфирования совместно с пассивной

1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 <в,рад/с Рис.8. Результаты расчета отношения ц>/<ро. <р - амплитуда колебаний при работающей активной системе демпфирования; фо - при работе только пассивной системы. I - при 1=0,05 с, 2 - при 1=0,1 с.

Следует отметить, что активная система становится малоэффективной на частотах более 3 Гц, вследствие влияния постоянной времени пневмосистемы, однако, на этих частотах достаточно хорошо работает стандартная система подрессоривания.

Третья глава посвящена созданию экспериментального комплекса (ЭК) для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортных машин. Это связано с тем, что наличие такого комплекса, являющегося, по сути, плоской физической моделью транспортной машины позволяет реализовать и исследовать различные варианты построения активной системы демпфирования колебаний машины и системы управления ими. Структурная схема экспериментального комплекса со встроенными в нее гидравлическим и пневматическим приводами, представлена на рис. 9.

(Управляющий сигнал| »[Зона нечувствительности]

измерительно-вычислительный комплекс

Рис.9. Структура ЭК.

Механическая основа ЭК представляет собой раму с шарнирно закрепленными на ней двумя балками (рис.10). Нижняя балка имитирует профиль дороги и приводится в движение силовым гидроцилиндром. Колебания нижней балки передаются верхней, имитирующей подрессоренную массу через элементы пассивной подвески (пружины и амортизаторы) и силовые элементы активной системы демпфирования (РКО).

Рис. 10. Компоновка экспериментального комплекса с САУ: 1 - несущая рама; 2- нижняя балка, имитирующая неподреесоренную массу; 3 - верхняя балка, имитирующая подрессоренную массу; 4 - грузы; 5 - амортизатор с пружиной (пассивная система); 6 - РКО; 7 - силовой гидроцилиндр; 8 - электромагнитный клапан; 9 - реле;

10- подача воздуха в РКО; 11 - опорожнение РКО; 12 - логическое устройство; 13 - датчик угловой скорости; 14 - пневмомагистраль; 15 - система компрессор-ресивер; 16 - электрические провода.

Для определения и последующего уточнения массогабаритных параметров ЭК была разработана математическая модель,

дифференциальные уравнения которой были решены с использованием пакета программ «МАТЬАВ» с расширением «81тиПпк».

Сравнение АЧХ колебаний верхней балки полученной для пассивной системы демпфирования с АЧХ колебаний подрессоренной массы реальной машины (рис.11) показало удовлетворительную сходимость (расхождение составило 8,3%), что позволило принять решение о проведении испытаний на ЭК.

Рис. 11. АЧХ подрессоренной массы при неработающей активной системе демпфирования, полученных на: 1 - ЭК; 2 - реальном автомобиле

Рис. 12. Общий вид экспериментального комплекса с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний.

В четвертой главе определены цель, задачи экспериментов и порядок их проведения.

Исследование активной системы демпфирования на экспериментальном комплексе проводилось для исследования колебаний верхней балки, имитирующей подрессоренную массу с активной системой демпфирования. Результаты эксперимента сопоставлены с результатами, полученными на математической модели, что позволило сделать оценку

адекватности математической модели транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний.

О 6 12 18 25 31 37 43 50 ЧРад/с

Рис. 13. АЧХ продольно-угловых колебаний верхней банки с пассивной системой (линия 2) и результаты математического моделирования (линия I).

На рис. 13 приведены результаты эксперимента и математического моделирования. Из графиков видно, что АЧХ созданного экспериментального комплекса и разработанной математической модели транспортной машины соответствуют реальному автомобилю. При их сравнении с использованием линейной интегральной оценки установлено, что результаты имеют расхождение не превышающее 8%. Что свидетельствует об адекватности результатов эксперимента и математического моделирования. Следовательно, полученные на экспериментальном комплексе данные можно использовать для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний реального автомобиля.

9. рад

О б 12 18 25 31 37 43 50 «.РЭД/С Рис.14. АЧХ колебаний верхней балки: 1 - пассивная система; 2 - после введения активной системы демпфирования.

По виду графиков (рис. 14 и рис. 15) можно сделать выводы об уменьшении амплитуды колебаний, подрессоренной массы транспортной

машины при совместной работе штатной (пассивной) системы и активной системы демпфирования, а также снижении ее колебательности.

/'V2

' 1 * V » /

// 9/ |/ V-!

1/ и \ ъ \ \ \ / \ \

\ /

\ 7

V

О 0,26 0,52 0,78 1,04 1,3 1,56 1,82 2,08 2,34 2,6 2,86 3,12 3.38 3,64

ЬС

Рис. 15. Свободные затухающие колебания верхней балки: 1 - активная система демпфирования; 2 - только пассивная система.

Интегральные критерии оценки качества системы, показали повышение эффективности активной системы демпфирования перед пассивной системой на величину до 48% при импульсном воздействии. В исследуемом частотном диапазоне эффективность системы достигает 26%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационном исследовании дано новое решение научно-технической задачи, состоящей в создании активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортных машин, которая работает совместно со штатной, пассивной системой.

Основные результаты работы заключается в следующем:

1. Обоснованы параметры и построена математическая модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной пассивной подвеской.

2. Исследования математической модели показали ее адекватность реальному автомобилю (максимальная погрешность составила 8,3%), а также эффективность активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной пассивной подвеской.

3. Разработан и построен экспериментальный комплекс для исследования активной системы демпфирования колебаний, массогабаритные параметры которого были определены на основе теоретических исследований.

4. На разработанную конструкцию экспериментального комплекса получен патент на полезную модель «Стенд для испытания элементов подвески автотранспортных средств» №115910.

5. Испытания активной системы демпфирования колебаний, работающей совместно со штатной пассивной подвеской, проведенные на экспериментальном комплексе показали, что снижение уровеня

17

вибронагруженности подрессоренной массы достигает 19%, что положительно сказывается на комфорте водителя. Амплитуда колебаний подрессоренной массы, вызванной проездом единичной неровности, снижаются на величину до 48%. При движении по дороге с периодическими неровностями эффективность активной системы демпфирования по сравнению с пассивной системой достигает 26%.

6. Разработаны практические рекомендации по проектированию активных систем демпфирования для транспортных машин.

Список опубликованных работ по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1.3ахаренков Н.В. Математическая модель стенда для исследования активной системы демпфирования угловых колебаний автомобилей / Н.В. Захаренков, В.Н. Сорокин // Вестник КузГТУ. - Кемерово: КузГТУ. - № 1. -2012.-С. 132-136.

2. Захаренков Н.В. Исследование активной пневматической системы демпфирования продольно-угловых колебаний автотранспортных средств / В.Н. Сорокин, Н.В. Захаренков // Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал.-Омск: СибАДИ. -№2 (24).-2012.-С. 86-90.

Публикации в других изданиях:

3. Захаренков Н.В. Стенд для испытания элементов подвески автотранспортных средств: пат. 115910 Рос. Федерация: МПК G01M17/04 / Захаренков Н.В., Сорокин В.Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет". - № 2011149215/11; заявл. 02.12.11; опубл. 20.01.12; приоритет 02.12.11; Бюл. №13..

4. Захаренков Н.В. Оценка степени влияния колебаний автомобиля с активной системой демпфирования по возмущению на человека / Н.В. Захаренков // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VIII Междунар. научн,- техн. конф. (Омск, 13-15 ноября 2012 г.): в 5 кн. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. Кн. II - С. 23-25.

5. Захаренков Н.В. Результаты исследования системы автоматического управления активным демпфированием по возмущению/ Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно -транспортного комплексов России: материалы Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) - Омск: СибАДИ, 2011. Кн.2-с. 306-309.

6. Захаренков Н.В. Математическая модель стенда для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний многоосных автомобилей/ Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, Н.В. Захаренков / Математика, ее приложения и математическое образование: Материалы IV международной конференции. - Улан-Удэ, 2011. 4.1. С. 135-139.

7. Захаренков H.B. Стенд для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортных средств / Н.В. Захаренков, В.Н. Сорокин / Наука и технологии. Материалы XXXI Всероссийской конференции. - Миасс: МСНТ, 2011. - с. 110-112.

8. Захаренков Н.В. Электромагнитный запорный клапан усовершенствованной конструкции/Омский регион - месторождение возможностей: матер, науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 38-40.

9. Захаренков Н.В. Анализ работы подвесок многоосных и длиннобазовых автомобилей/ Н.В. Захаренков, В.Н. Сорокин /Наука и технологии. Том 1. - Краткие сообщения XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы. - Екатеринбург: УрО РАН, 2010. - С 185-187.

10. Захаренков Н.В. Оптимизация электромагнитного привода / В.В. Захаренков, Н.В. Захаренков, В.И. Котельников / Проблемы разработки, изготоапсния и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО "Полет" A.C. Клинышкова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010-С 65-68.

11. Захаренков Н.В. Поведение механических подвесок мобильных ракетных комплексов на неровностях дороги/Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО "Полет" A.C. Клинышкова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010-С 72-76.

12. Захаренков Н.В. Синтез и выявление возможных вариантов конструкций активных подвесок многоосных транспортных средств / Омское время - взгляд в будущее: матер, регион, молодеж. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010.-Кн. 1.-С. 27-30.

Подписано в печать 18.02.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,25. Уч.-изд.л. 0,7. Тираж 100. Тип.зак. 3 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории Кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050,0мск-50, пр. Мира, 11

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Разработка и исследование динамики активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортных машин

01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры» 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201355694

Захаренков Николай Владиленович

Научный руководитель д.т.н., доцент, Сорокин В. Н.

Омск-2013

Содержание

Введение..................................................................................................................4

1 Состояние проблемы. Цель и задачи исследования....................................10

1.1 Плавность хода транспортных машин и влияние колебаний на организм человека..................................................................................................................10

1.2 Требования, предъявляемые к подвескам и их классификация....................11

1.2.1 Упругая характеристика подвески............................................................14

1.2.2 Кинематические схемы..............................................................................17

1.2.3 Упругие элементы......................................................................................18

1.2.4 Направляющие устройства........................................................................22

1.2.5 Амортизаторы............................................................................................27

1.3 Управляемые подвески....................................................................................30

1.3.1 Адаптивные подвески................................................................................30

1.3.2 Полуактивные подвески............................................................................33

1.3.3 Активные подвески....................................................................................34

1.4 Постановка цели и задач исследования..........................................................37

2 Обоснование и построение математической модели транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний и ее исследование..............................................................................39

2.1 Обоснование и построение математической модели транспортной машины .................................................................................................................................39

2.2 Возмущающие функции вынужденных колебаний транспортных машин .. 48

2.3 Разработка управления активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины..........................................................52

2.3.1 Анализ нелинейности в системе управления для упрощенной модели.. 60

2.3.2 Сравнение аналитического и численного решений.................................67

2.4 Основные результаты и выводы по главе.......................................................74

3 Разработка экспериментального комплекса для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний.............................76

3.1 Структура комплекса.......................................................................................77

3.2 Общий вид и описание конструкции..............................................................84

3.3 Система возбуждения колебаний....................................................................87

3.4 Система гашения колебаний...........................................................................91

3.5 Информационно-измерительная система.......................................................95

3.6 Предельные значения характеристик стенда и начальные условия............101

3.7 Выводы по главе............................................................................................101

4 Экспериментальные исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний на экспериментальном комплексе...........102

4.1 Цель и задачи эксперимента..........................................................................102

4.2 Выделение определяющих параметров........................................................103

4.3 Предельные изменения определяющих параметров, граничные и начальные условия.................................................................................................................103

4.4 Методика проведения испытаний.................................................................104

4.5 Обработка экспериментальных данных........................................................105

4.6 Результаты испытаний и их оценка..............................................................109

4.7 Оценка адекватности математической модели............................................112

4.8 Рекомендации к проектированию активной системы демпфирования.......114

4.9 Результаты и выводы по главе......................................................................115

Основные результаты и выводы по работе...................................................117

Список использованных источников.............................................................118

Приложения........................................................................................................133

Введение

Необходимость максимального повышения плавности хода автомобиля и безопасности его движения, в связи с ростом средних эксплуатационных скоростей, ставит вопрос о рациональной конструкции подвески и ее динамических параметрах в число важнейших задач современного автомобилестроения. Решение этой задачи ведется как в направлении исследования новых схем подвесок, так и по пути создания упругих элементов новых типов и повышения их долговечности. Разработка конструкций в этих направлениях привела к созданию управляемых подвесок и активных систем демпфирования с применением пневматических и гидропневматических упругих элементов.

Водители транспортных машин проводят много часов в условиях повышенных вибраций и колебаний. Эти условия снижают комфорт, внимание, угрожают здоровью водителя и безопасности движения. Известно, что степень ощущений водителя при колебаниях определяется преимущественно продолжительностью действия, характером изменения и величинами испытываемых вертикальных ускорений. Наиболее чувствителен организм человека к колебаниям в диапазоне частот от 4-8 Гц, относящихся к резонансной области. В горизонтальной плоскости особенно опасны по влиянию на человека частоты 1-2 Гц.

Возникающие при движении автомобиля колебания, вызванные неровностями дороги, оказывают влияние не только на плавность хода и управляемость, но также на ряд других эксплуатационных показателей. Так, при эксплуатации транспортных машин на дорогах с неудовлетворительным состоянием поверхности средняя скорость движения уменьшается на 40-50 %, межремонтный пробег - на 35-40 %, расход топлива увеличивается на 50-70 %, а себестоимость перевозок - на 50-60 %.

Основной причиной возникновения колебаний автомобиля являются неровности дороги. Их гашение осуществляется посредством подвески

транспортной машины, которая должна обеспечивать требуемые характеристики плавности хода и управляемости.

Результаты испытаний и данные эксплуатации свидетельствуют о том, что в настоящее время плавность хода отечественных транспортных машин не в полной мере соответствует дорожным условиям эксплуатации и возросшим требованиям их потребителей. Поэтому повышение плавности хода отечественных транспортных машин в настоящее время является весьма актуальной задачей, решение которой позволит существенно повысить скоростные характеристики автомобилей и эффективность их использования.

Однако решение этой задачи сопряжено со значительными трудностями как из-за недостаточной разработанности теории подрессоривания транспортных машин, так и вследствие отсутствия систематизированных сведений по эксплуатационным и экспериментальным наблюдениям за их плавностью хода в различных дорожных условиях.

И хотя в деле создания систем подрессоривания транспортных машин сделано немало, однако до настоящего времени остаются неисследованными многие вопросы, касающиеся возможности применения новых принципов систем подвески. Одним из таких принципов является создание гибридной подвески, сочетающей в себе традиционную пассивную подвеску и активную систему демпфирования колебаний, которая работает параллельно пассивной. Такие системы открывают принципиально новые возможности для подавления колебаний транспортных машин, что позволяет сделать возможным управление характеристиками демпфирования или жесткостью упругих элементов по заданному алгоритму. Особенностью активных подвесок является возможность ввода энергии от внешнего источника, применяемой для регулирования характеристик элементов подвески с использованием обратной связи в системе автоматического управления этим процессом.

Решению этой задачи и посвящена настоящая работа, которая выполнена в научно-исследовательской лаборатории «Волновая механика» при кафедре

Основы теории механики и автоматического управления Омского государственного технического университета.

Исходя из актуальности, практической значимости и теоретической неразработанности данной задачи поставлена следующая цель исследования.

Цель исследования: разработка и исследование активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины, работающей совместно с пассивной подвеской.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать и построить математическую модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний.

2. Провести исследование математической модели транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний.

3. Разработать и построить экспериментальный комплекс для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний.

4. Провести экспериментальные исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний с пневмоприводом.

5. Разработать практические рекомендации по проектированию активных систем демпфирования транспортных машин.

Объект исследования: активная система демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины.

Предмет исследования: динамические закономерности совместной работы штатной пассивной подвески и активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний подрессоренной массы транспортной машины.

Методы исследования: выполненные в работе исследования основываются на использовании положений и методов механики твердого тела, теории упругости, теории колебаний, газовой динамики, приближенных методов исследования нелинейностей, а также численных методов решения нелинейных задач.

Научная новизна состоит в том, что:

- обоснована и построена математическая модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

- исследованы колебания транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

-установлены закономерности колебаний элементов экспериментального комплекса для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины.

Положения, выносимые на защиту:

-математическая модель транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

- результаты теоретических исследований колебаний транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой;

- конструкция и алгоритм работы элементов экспериментального комплекса для исследования активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины;

- результаты исследований, выполненных на разработанном экспериментальном комплексе.

Практическая ценность заключается.

- в научно обоснованном техническом решении способа построения активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний транспортной машины, работающей совместно с ее штатной, пассивной системой;

- в возможности использования полученных данных при проектировании управляемых подвесок транспортных машин, что позволит создавать

автомобили с повышенными показателями плавности хода, управляемости и тягово-динамическими характеристиками;

- в разработке экспериментального комплекса, позволяющего исследовать новые способы построения и алгоритмы управления активной системой демпфирования колебаний, отслеживать характер и масштаб протекающих процессов и формировать реальную картину динамики колебаний транспортных машин.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на Региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время - взгляд в будущее», Омск, 2010 г.; V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО "Полет" A.C. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники», Омск, 2010 г.; XXX Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 65-летию Победы, Миасс, 2010 г.; Региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей», Омск, 2011 г.; XXXI Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий, Миасс, 2011 г.; IV международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование», Улан-Удэ, 2011 г.; Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», Омск, 2011 г.; Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 полезная модель, 11 статей, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для материалов диссертаций.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, изложенных на 132 страницах машинописного текста, поясняется 65 рисунками, 4 таблицами. Список литературы включает 163 наименования.

Во введении дано обоснование актуальности работы, формируются основные научно-технические направления, требующие глубокого изучения. Представлена структура работы и ее объем.

В первой главе определены требования, предъявляемые к подвескам, их классификация. Рассмотрены конструкции подвесок и их элементов, а также основные характеристики.

Поставлена цель исследования и сформулированы задачи, которые необходимо решить, для ее достижения.

Вторая глава посвящена обоснованию и построению математической модели транспортной машины с активной системой демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной системой, а также ее исследованию.

В третьей главе определены первостепенные предпосылки к обоснованию структуры и конструкции экспериментального комплекса. Разработана его математическая модель, исследование которой позволило уточнить массогабаритные параметры. Дано подробное описание основных элементов измерительного комплекса

В четвертой главе разработаны программа и методика экспериментальных исследований активной системы демпфирования продольно-угловых колебаний, работающей совместно со штатной, пассивной подвеской. Представлены результаты этих исследований и их анализ.

1 Состояние проблемы. Цель и задачи исследования

1.1 Плавность хода транспортных машин и влияние колебаний на организм человека

От характеристик колебаний автомобиля зависят показатели плавности хода, влияющие на средние скорости движения, сохранность перевозимого груза, утомляемость водителя и пассажиров.

Плавность хода - это, как известно, совокупность потенциальных свойств автомобиля, характеризующих его способность двигаться в заданном интервале скоростей без превышения норм вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов и конструктивных элементов автомобиля. Нормы вибронагруженности устанавливаются такими, чтобы на дорогах, для которых предназначен автомобиль, колебания водителя и пассажиров не вызывали у них неприятных ощущений и быстрой утомляемости, а колебания грузов и конструктивных элементов автомобиля не приводили к их повреждениям.

Большой вклад в развитие конструкций и изучение динамики автомобилей внесли такие известные ученые как: Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов, Б.Н. Белоусов, А.И. Гришкевич, А.Н. Густомясов, Н.И. Коротоношко, Д. Кэрноп (США), Ю.В. Пирковский, С.Д. Попов, Р.В. Ротенберг, Г.А. Смирнов, В.Н. Фаробин, Р.И. Фурунжиев, H.H. Яценко и др.

Колебания автомобиля, влияющие на плавность хода, создаются двумя видами источников: внутренними и внешними [137]. Колебания автомобиля от внутренних источников возникают вследствие вращения колес, элементов трансмиссии и двигателя. Эти источники создают колебания с частотой 25-20000 Гц, которые называют вибрациями (крайние границы этого диапазона - порог чувствительности для человеческого уха) [87, 128]. Второй вид -колебания, возникающие вследствие маневрирования автомобиля и контакта шин с дорожными неровностями. Частотный диапазон таких колебаний 0-25 Гц.

Неровности дороги имеют случайный характер. Колебания, возникающие в процессе движения автомобиля, можно подразделить на вертикальные, продольно-угловые и поперечно-угловые.

Водители и пассажиры проводят много часов в условиях повышенных вибраций при межрегиональн