CC BY
69
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
1
УДК 629.114.4: 629.11.012.3 UDC 629.114.4: 629.11.012.3
05.00.00 Технические науки Technical sciences
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВЕСКИ И ШИН НА НАГРУЖЕННОСТЬ КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО СТЕРНЕВОМУ ФОНУ THE ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE CHARACTERISTICS OF SUSPENSION BRACKET AND TIRES ON LOADING OF WHEELS OF THE CAR WHEN MOVING ON A MULCH BACKGROUND
Оберемок Виктор Алексеевич к.т.н., доцент РИНЦ SPIN-код = 6469-6072 E-mail: [email protected] Oberemok Victor Alekseevich Cand.Tech.Sci., assistant professor RSCI SPIN-code = 6469-6072 E-mail: [email protected]
Аванесян Андрей Михайлович ассистент РИНЦ SPIN-код = 7559-7264 E-mail: Avanesyan.andrej@ yandex.ru Avanesyan Andrey Mikhaylovich assistant RSCI SPIN-code = 7559-7264 E-mail: Avanesyan.andrej@ yandex.ru
Демьяновский Константин Николаевич студент E-mail:[email protected] Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», г. Зерноград Ростовской области, Россия Demyanovskiy Konstantin Nikolaevich student E-mail:[email protected] Azov-Black Sea engineering institute of Don state agrarian university, Zernograd, Rostov region, Russian Federation
Меликов Изет Мелукович к.т.н., доцент E-mail: [email protected] ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный аграрный университет» г. Махачкала, р. Дагестан, Россия Melikov Izet Melukovich Cand.Tech.Sci., assistant professor E-mail: [email protected] FGBOU VPO " Dagestan state agricultural university", Makhachkala, Republic of Dagestan, Russia
Существующие расчетные режимы нагружения колёс автомобилей определяются для условий, максимально приближенных к дорожным условиям эксплуатации и отражены в существующих стандартах. Однако эти стандарты нельзя применять для оценки функциональных качеств систем подрессоривания автомобилей, эксплуатирующихся в условиях сельскохозяйственного производства. Малый шаг неровностей, изменение упругодемпфирующих характеристик под действием эксплуатационных факторов приводят к возникновению нерасчётных режимов движения. Целью настоящей работы являлось исследование нагруженности колёс автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых. С целью получения характеристик неровностей, воздействующих на колеса автомобиля, была произведена запись сглаженного микропрофиля поля, получены статистические показатели, нормированная автокорреляционная функция, спектральная плотность воздействия микропрофиля. Для проведения исследований была принята известная математическая модель системы «автомобиль-дорога». Исследовано влияние скорости движения, нормальной жесткости рессор и шин, коэффициентов демпфирования подвески и шин на вертикальные колебания и нагруженность колес The existing settlement modes of loading of wheels of cars are defined for the conditions which are closest to road service conditions and are reflected in the existing standards. However these standards can't be applied to an assessment of functional qualities of systems of cushioning the cars which are operated in the conditions of agricultural production. The small step of roughnesses, change the cushioned characteristics under the influence of operational factors lead to emergence of the off-design modes of the movement. The purpose of the work was the research of loading of wheels of the car when moving on mulch of grains. For the purpose of obtaining characteristics of the roughnesses influencing car wheels we have recorded a smoothed microprofile of the field and got the statistics, rated autocorrelated function, spectral density of influence of a microprofile. For carrying out the researches the known mathematical model of a car road system was accepted. Influence of speed of the movement, normal rigidity of springs and tires, coefficients of damping of a suspension bracket and tires on vertical fluctuations and loading of wheels of forward and back axes of
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
2
передней и задней осей автомобиля. Выполненные исследования показали, что движение автомобиля сопровождается колебаниями показателей нагруженно-сти ходовой системы с явно выраженными периодическими составляющими. Изменение коэффициента демпфирования пассивной подвески и шин в возможных пределах не оказывает существенного влияния на нагруженность колёс. Установлены значения нормальных жесткостей рессор передней и задней осей автомобиля, нормальной жёсткости шин, при которых динамическая нагрузка на колёса автомобиля минимальна
the car is investigated. The executed researches showed that the movement of the car is followed by fluctuations of indicators of loading of running system with obviously expressed periodic components. The change of the coefficient of damping of a passive suspension bracket and tires in possible limits has no essential impact on loading of wheels. Values of normal roughness of springs of forward and back axes of the car, normal rigidity of tires at which dynamic load of wheels of the car is minimum are established
Ключевые слова: ПАССИВНАЯ ПОДВЕСКА, ВОЗ- Keywords: PASSIVE SUSPENSION BRACKET,
МУЩАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, МИКРОПРОФИЛЬ, REVOLTING INFLUENCE, MICROPROFILE,
АМПЛИТУДА КОЛЕБАНИЙ, НОРМАЛЬНАЯ AMPLITUDE OF FLUCTUATIONS, NORMAL
ЖЁСТКОСТЬ, КОЭФФИЦИЕНТ ДЕМПФИРОВАНИЯ RIGIDITY, DAMPING COEFFICIENT
В настоящее время на отечественных автотранспортных средствах (АТС) применяются пассивные подвески, характеристики которых в процессе эксплуатации не регулируются.
Это объясняется простотой их конструкции, относительно высокой надёжностью, низкой стоимостью. Вопросы повышения виброзащитных свойств подвески автотранспортных средств отражены в работах многих отечественных и зарубежных учёных: Горелика, А.Д., А.С. Дъякова, В.В. Новикова, Р.В. Ротенберга, А. А. Хачатурова, Н.Н. Яценко, А.В. Поздеева, В.В. Щеховцова, М.Беккера, И. Раймпеля и др.
Несмотря на усилия учёных и производителей АТС с пассивными подвесками, проблема повышения их плавности хода до уровней действующих норм до сих пор не решена.
Это обусловлено рядом причин. Во-первых, при проектировании таких подвесок приходится сталкиваться с рядом проблем, главная из которых заключается в конфликте требований к подвеске в отношении плавности хода, управляемости и устойчивости движения. С одной стороны, для увеличения плавности хода подвеска должна иметь «мягкие» настройки, а с другой - настройки должны быть достаточно «жесткими», чтобы обеспечить хорошие управляемость и устойчивость.
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
3
Следующая проблема состоит в том, что условиям движения автотранспортных средств (таким как дорожное покрытие, режим движения) свойственно изменяться. Поэтому для АТС характеристики пассивной системы подрессоривания приходится выбирать, исходя из его назначения и среднестатистических условий эксплуатации. В итоге такая подвеска, оптимизированная применительно ко всему диапазону условий эксплуатации, оказывается неоптимальной в каждой из конкретных дорожных ситуаций.
Существующие расчетные режимы нагружения колёс автомобилей определяются для условий, максимально приближенных к дорожным условиям эксплуатации и отражены в существующих стандартах. Однако эти стандарты нельзя применять для оценки функциональных качеств систем подрессоривания автомобилей, эксплуатирующихся в условиях сельскохозяйственного производства, значительно отличающихся от стандартных. Малый шаг неровностей, изменение упругодемпфирующих характеристик под действием эксплуатационных факторов могут привести к возникновению нерасчётных режимов движения, приводящих к увеличению динамической нагрузки на колёса и элементы системы подрессорива-ния.
Следует отметить и зависимость характера возмущающего воздействия от распределения напряжений в контакте колеса с опорной поверхностью, реологических свойств опорного основания [1], а также упругих и демпфирующих свойств шины, которые также не являются величиной постоянной [2].
Однако работы по исследованию нагруженности колёс автомобиля при эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства практически не проводились.
Целью настоящей работы являлось исследование нагруженности колёс автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых.
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
4
Для проведения исследований была принята известная математическая модель системы «автомобиль-дорога» [3].
Для получения характеристик неровностей, воздействующих на передние и задние колеса автомобиля, была произведена запись сглаженного микропрофиля поля после уборки зерновых колосовых. Для записи сглаженного микропрофиля стерни колосовых использовалось специальное оборудование на базе трактора МТЗ-80. Запись требуемых параметров осуществлялась при помощи осциллографа К-12-22.
Обработка осциллограмм производилась по методике, предложенной А. А. Силаевым.
В результате обработки осциллограмм были получены статистические показатели микропрофиля (таблица 1), нормированная автокорреляционная функция, спектральная плотность воздействия микропрофиля.
Таблица 1 - Показатели микропрофиля поля.
№/п Показатели Значение
1. Максимальная высота неровностей, м 0,0742
2. Минимальная высота неровностей, м 0,0490
3. Среднее квадратическое отклонение, м 0,0244
4. Дисперсия, м 2 0,000597
Для решения математической модели использовался численный метод интегрирования Рунге-Кутта четвёртого порядка. Значения постоянных коэффициентов уравнения рассчитаны на основании данных различных исследований и экспериментальных данных.
Результаты проведенных исследований приведены на рисунках 1 - 6.
Результаты исследований показывают, что движение автомобиля сопровождается колебаниями показателей нагруженности ходовой системы с явно выраженными периодическими составляющими. Преобладающими частотами, на которых приходится максимальная амплитуда колебаний неподрессоренных масс и максимальные нагрузки на колёса, являются 8,8 рад/с и 16,4 рад/с.
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
5
Рисунок 1 - Зависимость максимальной нагрузки на передний (1) и задний
(2) мост от скорости движения.
Рисунок 2 - Зависимость амплитуды колебаний переднего (1) и заднего (2) моста автомобиля от скорости движения
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
6
Рисунок 3 - Зависимость максимальной нагрузки на задний мост от нормальной жесткости рессор.
Рисунок 4 - Зависимость максимальной нагрузки на задний мост от радиальной жесткости шин
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
7
Рисунок 5 - Зависимость максимальной нагрузки (1), амплитуды колебаний (2) переднего моста и угловых колебаний (3) автомобиля от нормальной жесткости рессор
Рисунок 6 - Зависимость максимальной нагрузки (1) и амплитуды колебаний (2) переднего моста от радиальной жесткости шин
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
8
Пик максимальной нагрузки на передний мост наблюдается при скорости движения V =20 км/ч (рисунок 1), на задний мост - при скорости движения V = 28км/ч, что соответствует частотам внешних воздействий соответственно 9,7 рад/с и 13,6 рад/с. Пиковые значения нормальной нагрузки на передний и задний мосты превышают статическую нагрузку в
3,8...5,9 раз.
С увеличением скорости движения и удаления от резонансных частот динамическая нагрузка на мосты снижается. При скорости движения свыше 36 км/ч интенсивность снижения нормальной нагрузки резко снижается. При этом динамическая нагруженность колёс, особенно заднего моста, остаётся достаточно высокой.
Аналогичный вид имеют и кривые амплитуды колебаний переднего и заднего (рисунок 2) мостов. Однако кривая амплитуды колебаний переднего мота имеет точку минимума при скорости движения 28 км/ч (ю=13,6 рад/с). С увеличением скорости движения амплитуда колебаний переднего моста увеличивается, вызывая увеличение угловых колебаний автомобиля относительно поперечной оси.
С целью определения оптимальных упруго - демпфирующих характеристик было исследовано влияние жесткости подвески и шин на амплитуду колебаний неподрессоренных масс и динамическую нагруженность колёс передней и задней осей при скорости движения автомобиля 20 км/ч.
Проведённые исследования показали, что с увеличением жесткости рессор динамическая нагруженность задних колёс снижается (рисунок 3).
Это объясняется повышением собственной частоты колебаний автомобиля и удалением от резонансных частот. С увеличением жесткости задних рессор 5,5Э05 до 6,5Э05 Н/м величина динамической нагрузки снижается на 13,8%. При дальнейшем увеличении жесткости задних рессор величина динамической нагрузки практически остаётся постоянной. Аналогичный характер протекания кривой нагрузки на задний мост от нор-
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
9
мальной жесткости шин (рисунок 4). При увеличение радиальной жесткости шин заднего моста с 12-105 до 17-105Н/м динамическая нагрузка на задний мост снижается на 16,7%. При дальнейшем увеличении радиальной жесткости шин динамическая нагрузка на задний мост остаётся практически постоянной.
Влияние жесткости рессор передней подвески на нагруженность передних колёс неоднозначно. Максимальная динамическая нагруженность колес передней оси наблюдается при жесткости передних рессор СР1 = 3,6-105 Н/м. С увеличением жесткости передних рессор нагрузка на передний мост снижается (рисунок 5). При увеличении жесткости свыше 5-105 Н/м снижение нагрузки замедляется, и она остаётся практически постоянной.
С уменьшением жесткости рессор ниже 3,6-105 Н/м нагрузка на передний мост снижается. Однако при жесткости рессор 2,8-105...3,2-105 Н/м увеличиваются угловые колебания подрессоренных масс относительно поперечной оси (рисунок 5), ухудшающие плавность хода. Поэтому оптимальной следует считать жесткость передних рессор в диапазоне
2,2 105.2,6 105 Н/м.
Аналогично влияние на нагруженность переднего моста и радиальной жесткости шин передних колёс. Максимальная нагрузка на передний мост наблюдается при жесткости шин передних колёс СШ1 = 6,5 •Ю5 Н/м (рисунок 6). С увеличением жесткости нагрузка на передний мост снижается. Так, увеличение жесткости шин передних колёс с с 6,5 •Ю5 до 9,0-105 Н/м позволит снизить нагрузку на передние колёса на 20,8%.
Аналогичен и характер протекания кривых амплитуды колебаний (рисунок 6) неподрессоренных масс переднего моста от нормальной жесткости шин и рессор.
Проведённые исследования показали, что изменение демпфирующих свойств пассивной подвески и шин в возможных пределах не оказывает
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
Научный журнал КубГАУ, №109(05), 2015 года
10
существенного влияния на нагруженность колёс. Так изменение сопротивления амортизаторов передних и задних мостов на 40...50% приводит к уменьшению нагрузки на передний мост на 4.6%. Изменение сопротивления шин в этом диапазоне приводит к уменьшению динамической нагрузки на 3.5%. Для уменьшения динамической нагрузки на колёса автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых необходимо увеличение сопротивления амортизаторов в 2.3 раза, что требует применения систем регулирования.
Список литературы
1. Носов, С.В. Моделирование системы дорога-трактор-водитель с учетом сглаживания шиной микропрофиля опорного основания/ С.В. Носов, Ю.Ю. Киндюхин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2009, №10. с. 12-15.
2. Оберемок, В.А. Влияние условий эксплуатации на функциональные характеристики элементов подвески автомобиля/ В.А. Оберемок, А.М. Аванесян// Совершенствование конструкции и повышение эффективности эксплуатации колёсных и гусеничных машин в АПК: междунар. сборник науч. трудов - Зерноград: АзовоЧерноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», 2014. - С.116.124.
3. Аванесян А.М. Исследование нагруженности колёс автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых/А.М. Аванесян, В. А. Оберемок//Техническое и кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве: матер. междунар. науч-но-практ. конф., Ч1. - Минск, БГАТУ, 2014. С.129-130.
References
1. Nosov, S.V. Modelirovanie sistemy doroga-traktor-voditel' s uchetom sglazhivanija shinoj mikroprofilja opornogo osnovanija (Modelling of system road-tractor-driver in view of smoothing by the trunk of a microstructure of the basic basis), S.V. Nosov, Ju.Ju. Kindjuhin, Traktory i sel'skohozjajstvennye mashiny, 2009, No 10, pp.12-15.
2. Oberemok, V.A. Vlijanie uslovij jekspluatacii na funkcional'nye harakteristiki jele-mentov podveski avtomobilja (Influence of operating conditions on functional characteristics of elements of a suspension bracket of the car), V.A. Oberemok, A.M. Avanesjan, Sovershenstvovanie konstrukcii i povyshenie jeffektivnosti jekspluatacii koljosnyh i gus-enichnyh mashin v APK: mezhdunar. sbornik nauch. Trudov, Zernograd: Azovo-Chernomorskij inzhenernyj institut FGBOU VPO «Donskoj gosudarstvennyj agrarnyj univer-sitet», 2014, pp.116.124.
3. Avanesjan A.M. Issledovanie nagruzhennosti koljos avtomobilja pri dvizhenii po sterne zernovyh kolosovyh (Research of a load of wheels of the car at movement after grain grains), A.M. Avanesjan, V.A. Oberemok, Tehnicheskoe i kadrovoe obespechenie inno-vacionnyh tehnologij v sel'skom hozjajstve: mater. mezhdunar. nauchno-prakt. konf., Ch1, Minsk, BGATU, 2014, pp.129-130.
http://ej.kubagro.ru/2015/05/pdf/67.pdf
