CC BY
3
КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ С РЕЗИНОКОРДНЫМИ ОБОЛОЧКАМИ ДЛЯ СИСТЕМ ВТОРИЧНОГО ПОДРЕССОРИВАНИЯ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Черненко А.Б.1, Перушкин М.В.2
1Черненко Андрей Борисович - кандидат технических наук, доцент; 2Перушкин Максим Викторович - ассистент, кафедра автомобили и транспортно-технологические комплексы Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова,
г. Новочеркасск
Аннотация: настоящая статья посвящена исследованию и оптимизации параметров плавности хода транспортно-технологических машин с использованием комбинированных систем пневматических резинокордных оболочек, являющихся опорами кабины. С целью выявления оптимальных характеристик системы виброзащиты произведен математический анализ упруго-диссипативных свойств комбинированных систем различного конструктивного исполнения. В зависимости от способа сообщения внутренних и внешних полостей пневмоопор, проведена систематизация комбинированных систем резинокордных оболочек. Выявлены принципиальные зависимости, характерные для различных классов комбинированных систем РКО. В ходе анализа подобраны конструкции опор, обеспечивающие повышения плавности хода транспортно-технологических машин.
Ключевые слова: комбинированные системы, резинокордные оболочки, системы подрессоривания, виброзащита кабины, плавность хода.
COMBINED SYSTEMS OF ELASTIC ELEMENTS WITH RUBBER-CORDED SHELLS FOR SECONDARY RECOVERY OF TRANSPORT-TECHNOLOGICAL
VEHICLES Chernenko A.B.1, Perushkin M.V.2
1Chernenko Andrey Borisovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor;
2Perushkin Maxim Viktorovich - Assistant, DEPARTMENT OF AUTOMOBILES AND TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL COMPLEXES, M.I. PLATOV SOUTH RUSSIAN STATE POLYTECHNIC UNIVERSITY (NPI), NOVOCHERKASSK
Abstract: The present article is devoted to the study and optimization of smoothness parameters of transport-technological machines using combined systems of pneumatic rubber-cord shells, which are the supports of the cabin. In order to identify the optimal characteristics of the vibration protection system, a mathematical analysis of the elastic-dissipative properties of combined systems of different design is performed. Depending on the method of communication of the internal and external cavities ofpneumatic supports, from the working fluid or gas, a systematization of combined systems of rubber-cord shells has been carried out. The principal dependencies characteristic for various classes of combined RKO systems have been revealed. In the end, the best designs were chosen from the point of view of increasing the smoothness of the course of transport-technological machines.
Keywords: combined systems, rubber-cord shells, suspension systems, cab vibration protection, smooth running.
УДК 629.33.022.48.027
Подвеска кабины транспортно-технологических машин является важным элементом в цепи систем, отвечающих за комфорт и безопасность водителя и машины в целом. Разное назначение транспортных средств и разные рынки продаж способствуют расширению конструкций кабин, которые различаются по размерам, способам крепления и массе. При этом каждая конструкция обычно требует индивидуальных решений по подрессориванию и демпфированию.
Практика показывает, что совершенствование существующих пассивных подвесок многоосных шасси не позволяет добиваться дальнейшего значительного снижения вибронагруженности. Процесс оптимизации пассивных систем подрессоривания транспортных средств близок к завершению [1]. Промышленных образцов активных подвесок для многоцелевых автомобилей и многоосных шасси, и в том числе эффективных подвесок со специальными локационными устройствами, в настоящее время не существует, несмотря на многочисленные исследования этого вопроса [2].
В пассивных системах виброзащиты, при низкочастотных кинематических воздействиях, минимальные перемещения амортизируемого объекта, могут быть получены в случае использования
нелинейных упругих элементов с мягкой характеристикой при высоком уровне демпфирования в системе [3].
Наиболее эффективными нелинейными системами виброзащиты, в настоящее время, являются системы с пневматическими упругими элементами, в которых в качестве рабочего упругого тела используется воздух. Пневматические упругие элементы работают при начальном давлении Р0 < 2 МПа и могут иметь постоянную и переменную эффективную рабочую площадь, изменение которой зависит от хода упругого элемента, за счет чего обеспечивается мягкая нелинейная силовая характеристика, близкая к оптимальной. Демпфирование в системах подрессоривания с применением пневматических упругих элементов осуществляется за счет сил "сухого" трения и гидроамортизаторов, а также используется воздушное демпфирование [4]. Вместе с внутренним трением и трением арматуры, воздушное демпфирование, может обеспечить относительный коэффициент затухания в системе подрессоривания до 0,08 - 0,13 [5].
Наиболее полное удовлетворение указанных выше требований к системе виброзащиты кабины автотранспортного средства может обеспечить применение пневматических амортизаторов с резинокордной оболочкой (РКО) [6]. Однако, стандартные системы резинокодных пневмопор не всегда способны обеспечить необходимых параметров плавности хода, в отличие от комбинированных систем.
На сегодняшний день можно выделить три основных вида соединений упругих элементов систем подрессоривания: последовательное, параллельное и так называемое встречное соединение. В случае использования пневморессор (ПР) с РКО количество способов соединения упругих элементов существенно увеличивается, что обуславливает возможность обеспечить требуемый уровень и характер упруго-вязких свойств подвески кабины.
На рис. 1 представлены схемы многокамерных, многополостных РКО, образованных последовательным соединением гофров, полости которых соединяются между собой. При последовательном соединении сообщающихся гофров формулы для определения грузоподъемности и жесткости ПР имеют вид:
Р(х) = ри(х) ■ Рз(х);
Рз1(х1) = Рэ2(ХЭ) = ...= £Э(х) (1)
Рис.1. Многокамерные, многополостные РКО, образованные последовательным соединением гофров, полости
которых соединяются между собой.
Выражения (1.1) подтверждают предпосылку о том, что равновесие соединенных гофров возможно при одинаковой эффективной площади:
с(х) =
—+рим—,
7(х)
где
т
—=У—
dFэ /_( dFэi '
I = 1,2,3,... ,т.
(2)
dx 1 1 dxi
В случае РКО вращения последнее выражение может быть представлено в виде:
х
1=1
т
-=Y —
ir3 Z_I dr3i
db düM.' dx l=1 dxt
Следующие виды последовательно соединенных оболочек различного типа можно образовать, если не сообщать между собой полости сжатого газа. На рис. 2 в качестве примера показана такая комбинированная ПР с РКО. В общем случае полости оболочек могут находиться под разными избыточными давлениями рабочего газа. Эти комбинированные системы дают возможность соединять РКО разных размеров с неодинаковыми эффективными площадями. Нагрузочные характеристики и жесткость определяются по уравнениям:
P(x) = Pi(xi); (3)
XXi' c(x) IcW
i=i
Последовательное соединение РКО используют для получения «мягких» нагрузочных характеристик, а также для увеличения рабочих ходов ПР.
Схема комбинированной системы с параллельным соединением РКО изображена на рис. 3.
Рис.2. Комбинированная ПР с РКО Рис. 3 Составляющие элементы.
Составляющие упругие элементы, как видно из рис. 3, испытывают такой-же прогиб, что и комбинированная система:
X =~ ~~ ~~ . . . ~~ Х^
Если полости сообщаются, нагрузочная характеристика системы и жесткость описываются следующими зависимостями:
т
P(x) = pu(x)^F3i(x); (4)
=1
?т - т
, Л_к[ри(х) + ра] • Р1 (х) , , Л у с1Рэ1
С (Х) = у(х) +Ри(Х)^йх'
1=1
При изолированных полостях, нагрузочные характеристики и жесткость определяются по формулам:
т т
Р(х) = ^ р (х) = ^ Ри> (х) • РЭ1 (х) ; (5)
i=1 i=1
т
'(x) =^ci(x)
=1
Комбинированные системы упругих элементов с параллельным соединением РКО применяются в системах подрессоривания объектов большой грузоподъемности.
Рассмотрим внешнее соединение ПР (рис. 4). При сжатии комбинированной системы на величину x один элемент сжимается, другой испытывает отбой. Основные характеристики системы с сообщающимися полостями определяются по формулам:
Р (Х) = Ри (Х) [РЭ1 (Х) - Р^2 (Х)] ; (6)
x
Рис.3. Внешнее соединение ПР.
При отсутствии соединения полостей комбинированные системы со встречным соединением образуют ПР с противодавлением (рис. 4). Нагрузочную характеристику и жесткость этих ПР можно определить по уравнениям:
Р(х) = Рх (х) - Р2 (х) = ри1 (х) • Рэ! (х) - ри2 (-х) • Рэ2 (-х) ; (7)
с(х) = С1(Х) + С2(х)
Многообразие схем комбинированных упругих элементов с РКО частично представлено на рис. 6. Если поршни комбинированных ПР неподвижны, то их можно соединить между собой. Тогда ПР представляет собой конструкцию, в которой РКО имеют общий кожух и поршень, а гофры направлены в разные стороны (рис. 5 а, б, в). Вместо двух отдельных одногофровых диафрагменных оболочек можно использовать одну двухгофровую тороидальную оболочку (см. рис. 5 б). Вариантом такой системы является схема с кольцевым пневмобаллоном (рис. 5 г).
Рис. 4. ПР с противодавлением.
а)
б)
в; г;
Рис. 5. Многообразие схем комбинированных упругих элементов с РКО.
Наконец, следует отметить комбинированные системы РКО, которые относятся к концентрическим схемам. Как видно из схем рис. 6, полости внешней оболочки включают полости внутренней. В связи с этим работоспособность концентрических систем обеспечивается в том случае, если избыточное давление во второй (внутренней) оболочке превышает давление в первой (внешней):
р„2(Х) > р„1(Х)
Очевидно, что оболочка второй полости находится под давлением
Ри2)М = Ри2(*) -Ри1(^)
Рис. 6. Комбинированные системы РКО относящиеся к концентрическим схемам.
Используя концентрические схемы, можно существенно уменьшить нагрузки на внешние оболочки и повысить избыточное давление на внутренних полостях ПР.
Нагрузочную характеристику концентрических систем, имеющих т полостей, можно определить по формуле:
р(Х) = ^Р®^(0
¿=1
(8)
Для двухполостных ПР последнее выражение примет вид:
КО = Л, 1(0 • [ДлОО + £»(*)] + Р^М • ^Э2(х)
(9)
Для построения нагрузочной характеристики этой ПР необходимо получить выражения для давлений Ри1 и ри2 .Изменение объема рабочего газа VI, заключенного между внешней и внутренней РКО, зависит от текущего объема Уг, причем, если принять:
У(х) = ад + ад , ПО = К(х„) - [ ^(х^х ;
-'жо
^г-Жо
Рэ2(Х)^Х ;
г
(10)
то,
У!(х) = ад) - [ [Рэ1(Х) - РЭ2(Х)]^Х ;
"'хо
(11)
ЛиОО = [Р„1(Хс) + Ра]
- /Ж0[^Э1(Х) - Рэ2(^)]^Х)
ЛйОО = [^(^о) + ^а]
Нагрузочные характеристики и жесткость можно оценить по следующим формулам:
ад
+ {^М
с(х) =
Р(х) = |Р1(х) ?2(*о)
Л0
ад
^Х
ра}дрэ2(х); (12)
)Р2(г)
^2(^о) - /^^(ХМх ^Р1(х)ДРз2(х) _ л ^ ДРэ(Х) , ^Р2(Х)РЭ22(Х) , ^ ДРЭ2(Х)
+
^х
где,
00 = Рщ + ^а , ^2 00 = Л,2 + ^а ; А^Э 00 = ^Э1 00 - ^Э2 00 Для случая т концентрических упругих элементов с РКО формулы для нагрузочных характеристик принимают вид:
где,
Р(х) = ^Ри;(х)ДРэ;(х) ;
¿ = 1 т
С(х) = ^С;(Х) ,
¿=1
ДЯМОО = ^¿ОО - ^Э,£+1(Х) , РЭ,Ш+2(^) = 0 ;
ад = ад) -[ д^ад^х ;
-'жо
Ли 00 = Л(*о)
Ж*о)
^¿(хо) - /Жо А^Э1(Х)^Х
-Л;
(13)
к
к
к
к
л _ kPl(x)KFh(x) t п лdAF3i(x) Ci(Xj_ + Pui(x) dx ■
Выражения (13) показывают, что концентрическая система упругих элементов с РКО обладает основными признаками комбинированных систем с параллельным соединением при изолированных полостях, эффективные площади которых определяются по формуле:
AF3i(x) = F3i(x) - F3M1(x). Однако, концентрические системы имеют ряд существенных отличий от комбинированных систем с параллельным соединением при изолированных полостях. Основные параметры F3, V , Ри и др. /-го упругого элемента зависят от соответствующих параметров (/ + 1)-го элемента. Оболочка (/ + 1)-го элемента находится под давлением, определяемым по формуле:
Pu,i+l(x) + Pui(x)■
Основным преимуществом концентрических систем следует признать относительно небольшие габариты ПР. Кроме того, повышается прочность РКО по сравнению с обычными оболочками упругих элементов одинаковой грузоподъемности.
Рассмотренная выше классификация систем упругих элементов с РКО показывает, что имеются возможности разрабатывать множество сложных конструкций ПР на основе различных сочетаний простых соединений оболочек. В результате пневматические упругие элементы с РКО представляют собой системы, обладающие самыми широкими диапазонами изменения основных параметров и нагрузочных характеристик. Такие системы с успехом могут удовлетворять разнообразным требованиям к упругодемпфирующим свойствам систем подрессоривания и виброзащиты.
Список литературы /References
1. Черненко А.Б., Гасанов Б.Г., Сиротин П.В., Сысоев М.И. Пневматические системы подрессоривания кабин специальных транспортно-технологических машин: монография / ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2021.- 251с.
2. Афанасьев Б.А. Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Л.Ф. Жеглов и др. - М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2008. - 432 с.
3. Шеховцов В.В. Подрессоривание кабин тягово-транспортных средств: учеб. пособие / В.В. Шеховцов, А.В. Победин, М.В. Ляшенко, Н.С. Соколов-Добрев, К.В. Шеховцов. - Волгоград: ВолгГТУ, 2016.160 с.
4. Погорелый Б.Ф., Суднишников Л.Н., Муштайкина М.В. Пневматические упругие элементы в качестве виброизолирующих опор // Пневматические упругие элементы с резино-кордными оболочками. Расчет, конструирование, изготовление и эксплуатация. - М.: ЦНИИТЭИнефтехим, 1977. - С. 15 - 26.
5. Кузнецов Ю.И. Синтез резино-кордных упругих элементов пневматических подвесок колесных машин: Дис. ... канд. техн. наук. - М. 1976. - 218 с
6. Кузнецов Ю.И., Савушкин С.О. Синтез пневматических упругих элементов диафрагменного типа с заданной поперечной жёсткостью // Пневматические упругие элементы с резино-кордными оболочками. Расчёт, конструирование, изготовление и эксплуатация: Тр. НИКТИ шинной пром. - М.: ЦНИИТЭИнефтехим, 1977.- С. 91 - 97.
