Экспериментальное исследование жесткости опор кабины легкого коммерческого автомобиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113

В.Ю. Шурыгин, Л.Н. Орлов, А.С. Вашурин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ ОПОР КАБИНЫ ЛЕГКОГО КОММЕРЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Представлены результаты испытаний элементов крепления кабины к раме автомобиля категории N1. В качестве объекта исследования выбран автомобиль ГАЗ A21R22 NEXT. В ходе экспериментального исследования получена горизонтальная и вертикальная характеристика жесткости резино-металлического элемента крепления кабины к раме автомобиля. Полученные характеристики могут быть использованы для последующего применения в конечно-элементном расчете прочности несущих систем легких коммерческих автомобилей ГАЗ.

Ключевые слова: испытания, резино-металлический элемент, жесткость.

Целью работы является исследование характеристик резино-металлических элементов крепления кабины для внесения полученных характеристик в расчетную модель по оценке прочности и жесткости несущей системы, включающей раму, кабину и грузовую платформу [1, 2]. Известно, что кабина обладает относительно высокой жесткостью и при абсолютно жестком её соединении с рамой автомобиля, в расчетной модели, общая жесткость несущей системы оказывается неоправданно завышенной.

Резино-металлические элементы крепления кабины имеют определенную податливость, за счет чего суммарная жесткость несущей системы снижается, но при этом обеспечивается изоляция водителя и пассажиров от вибраций.

Задачи исследования:

• разработка оснастки для крепления резино-металлического элемента на станине разрывной машины;

• подготовка испытательного оборудования;

• проведение эксперимента;

• математическая обработка полученных данных;

• вывод графической характеристики элемента крепления кабины.

Автомобиль в процессе эксплуатации передвигается по различным типам дорог, которые являются основным источником возмущений и вибраций, отрицательно сказывающихся как на автомобиле в целом, так и на пассажирах и перевозимых грузах, в частности [3]. Рама автомобиля воспринимает возмущения, исходящие от дорожного полотна, при этом все возмущения передаются на кабину автомобиля и в этом случае важен тип крепления кабины автомобиля на раме. Тип крепления должен обеспечивать достаточную виброизоляцию кабины, с одной стороны, но и быть достаточно жестким с точки зрения жесткости несущей системы, с другой.

Объектом данного исследования является резино-металлический элемент крепления кабины легкого коммерческого автомобиля ГАЗель Некст, внешний вид которого показан на рис. 1. Данный объект исследования устанавливается между кабиной и рамой автомобиля, он таким образом «подрессоривает» кабину и снижает вибрации, воспринимаемые водителем и пассажиром.

В ходе проведения экспериментальных исследований было использовано оборудование Центра коллективного пользования «Транспортные системы» НГТУ, а также лаборатории Института физико-химических технологий и материаловедения: LS5 100/200 - лазерный триангуляционный датчик положения, УМЭ10-ТМ - разрывная машина, TCLP-30KNB -датчик силы.

© Шурыгин В.Ю., Орлов Л.Н., Вашурин А.С., 2016.

Хорошо известны методы и подходы исследователей, выполнявших ранее аналогичные натурные эксперименты по оценке жесткости упругих элементов конструкции транспортных средств [4, 5]. При проведении данного исследования резино-металлический элемент крепления кабины был расположен на станине разрывной машины, при этом к станине он был прикреплен с помощью болтового соединения, а в нижней части через переходное кольцо был установлен упор для соединения с датчиком силы. При поступательном перемещении станины разрывной машины в вертикальном направлении, резиновый элемент упирался в датчик силы и при этом деформировался на величину перемещения станины. Датчик силы замерял контактное усилие в месте соприкосновения резинового элемента и переходного кольца. Лазерный датчик перемещения замерял перемещение станины в вертикальном направлении, равное величине деформации резинового элемента. Испытательная установка, использованная в работе, показана на рис. 2.

а) б)

Рис. 1. Резино-металлический элемент крепления кабины к раме:

а - установка на автомобиле; б - резино-металлический элемент

Рис. 2. Экспериментальная установка при исследовании вертикальной жесткости

На рис. 3, а показан резиновый элемент в сжатом состоянии, при максимальной нагрузке, действующей в вертикальном направлении. При исследовании горизонтальной жесткости резино-металлического элемента был применен аналогичный подход, с разницей закрепления кронштейна на станине разрывной машины (рис. 3, б).

а) б)

Рис. 3. Фрагменты испытания:

а - сжатый резиновый элемент; б - исследование горизонтальной жесткости

В ходе экспериментальных исследований проводились замеры интересующих

величин: сила и перемещения (деформации упругой опоры), при этом оценивалась

погрешность проводимых измерений, для этого была выполнена обработка данных

физических экспериментов [6]. Каждая кривая была аппроксимирована под линейную

функцию с помощью уравнения:

у = ах + Ь. (1)

В этом случае аппроксимация заключается в отыскании коэффициентов уравнения a и

b таких, чтобы все экспериментальные точки лежали наиболее близко к аппроксимирующей

прямой. В работе использовался метод наименьших квадратов, суть которого заключается в

том, чтобы сумма квадратов отклонений значения точки от аппроксимирующей точки

принимала минимальное значение:

п

F(a, Ъ) = ^(yi - (axi + b))2 ^ min. (2)

i=1

Решение поставленной задачи сводится к нахождению экстремума указанной функции двух переменных. С этой целью находятся частные производные функции по коэффициентам a и b и приравниваются к нулю.

с п

dF(a, b)

= -2 ^(yi - (axi + b)xi = 0;

i=l n

= -2^(yi - (axi + b) = 0.

da

, Л ^ (3)

dF(a,b)

~ x ' " 1 0.

db i = 1

Решая полученную систему уравнений, можно определить значения коэффициентов:

v

а

ъ =

п21=1х1 (21=1Х1} 21=1у1 — а21=1х1

(4)

п

Поскольку в рассматриваемой задаче важно, чтобы при нулевых деформациях усилия в опоре также равнялись нулю, то коэффициент Ь во всех случаях принимал нулевые значения. После обработки экспериментальных данных получены графики зависимостей силы от перемещения в вертикальном (рис. 4) и горизонтальном (рис. 5) направлениях.

Нагрузка, кН

10

8

6 у1= 0,545 х

4

2 Дефор эмации, мм

-15 -10 0 5 10

-2

0,453 х^ -4

-6

-8

15

-10

Рис. 4. Характеристика упругого элемента в вертикальном направлении

Нагрузка, кН

15

10 У = 0,413

5 Дефорллг эции, ллм

-15 = 0,405х 2 -10 0 5 10 15

-5

-10

-15

Рис. 5. Характеристика упругого элемента в горизонтальном направлении

Полученные характеристики (уравнения) могут быть использованы для последую-

щего применения в конечно-элементном расчете прочности несущих систем легких коммерческих автомобилей, в которых используются аналогичные резино-металлические опоры.

Библиографический список

1. Тумасов, А.В. Сравнительная оценка результатов компьютерного моделирования и испытаний рамы легкого коммерческого автомобиля на прочность / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, А.В. Герасин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2013. - № 10.

- С. 63-68.

2. Тумасов, А.В. Оценка прочности несущих систем легких коммерческих автомобилей с внесенными в их конструкцию изменениями / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, В.Ю. Шурыгин, Д.В. Шаров // Известия Московского государственного технического университета МАМИ.

- 2016. - № 1 (27). - С. 66-70.

3. Лозовский, Н.Т. Эксплуатационная долговечность кабин грузовых автомобилей / Н.Т. Лозовский, Г.В. Борисов, Н.А. Кузьмин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - №4 (101). - С. 44-49.

4. Wolf, D. Experimental Elastomer Analysis, Presented at a meeting of the Rubber Division / D.Wolf, K. Miller //American Chemical Society, Orlando, Florida, September 21-24, 1999.

5. Gent, A.N., Engineering with Rubber / A.N.Gent. - Oxford University Press, New York, NY, 1992.

6. Шейнман, И. Л. Методы обработки результатов физического эксперимента / И.Л. Шейнман, В.В. Морозов, Б.Е. Соботковский // М-во образования и науки РФ, С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т "ЛЭТИ". - СПб., 2004. - 63 с.

Дата поступления в редакцию 27.06.2016

V.Y. Shurygin, L.N. Orlov, A.S. Vashurin

EXPERIMENTAL RESEARCH OF STIFFNESS OF LIGHT COMMERCIAL

VEHICLE CAB SUPPORT

Nizhny Novgorod state technical university n. a. R. E. Alexeyev

Purpose: Determination of stiffness of light commercial vehicle cab support for further using in finite element analysis of robustness of bearing structure.

Design/methodology/approach: The experimental study made on tensile-testing machine with using of special devices and equipment of Center of collective using "Transport systems".

Findings: The results obtained during the experiment allow estimate the vertical and horizontal stiffness of light commercial vehicle cab support.

Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research of robustness of light commercial vehicle bearing structure taking in account mechanical characteristics of a frame, cab, platform and all rubber-metal elements including cab and platform supports.

Originality/value: The main feature of the study is using of modern measurement equipment and analytical approach that could be used for determination of vehicles fuel consumption.

Key words: test, rubber-metal element, stiffness.