CC BY
35
УДК 629.113
А.С. Горобцов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (8442) 24-09-28, gorobtsov@avtlg.ru (Россия, Волгоград, ВолгГТУ),
Ю.А. Поляков, канд. техн. наук, доц., (495) 601-51-67 polyakovua@mail.ru (Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»), С.В. Солодёнков, канд. техн. наук, доц., (8442) 24-09-28, gorobtsov@avtlg.ru (Россия, Волгоград, ВолгГТУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЖЕСТКОСТЕЙ ЗАВИСИМЫХ ПОДВЕСОК АВТОМОБИЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ C ПОМОЩЬЮ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДЕЛИ
Построена пространственная модель автомобиля повышенной проходимости, позволившая получить характеристики вертикальной жесткости зависимых подвесок с учетом реальной кинематики элементов подвесок и особенностей их установки на автомобиле.
Ключевые слова. Вертикальная жесткость, зависимая подвеска, пространственная модель автомобиля повышенной проходимости
В настоящее время достаточно интенсивно развиваются постановки задач динамики автомобилей в расширенной трактовке. Их главная особенность - максимально полный учет в расчетной схеме геометрической нелинейности движения элементов конструкции.
Для исследования вибронагруженности автомобиля повышенной проходимости с зависимыми передней и задней подвесками с использованием программной системы ФРУНД [1, 2] была создана математическая модель пространственных колебаний его конструкции с учетом динамики его движения по случайному микропрофилю дороги, нелинейных гистере-зисных динамических характеристик элементов подвесок, систем виброзащиты, виброизоляции и шин.
Динамическая модель конструкции автомобиля представляет собой механическую систему, состоящую из абсолютно твердых тел (рама, силовой агрегат, раздаточная коробка, рычаги рулевого привода передних управляемых колес, передний мост, задний мост, подсистемы «водитель -сиденье»), каждое из которых имеет 6 степеней свободы, связанных между собой элементами, моделирующими рессоры, шины, виброизоляторы агрегатов, стабилизаторы и амортизаторы (рис. 1).
При построении динамической модели особое внимание было уделено проработке элементов передней и задней подвесок. При этом каждая рессора моделируется пятью шарнирно связанными телами с упруго-фрикционной угловой связью, выбранной из условия обеспечения вертикальной жесткости рессоры с учетом сил трения (рис. 2).
390
Рис. 1. Расчетная схема автомобиля повышенной проходимости
с рессорными подвесками
%
Рис. 2. Пятизвенная структура передней левой рессоры
В частности, к балке моста крепится среднее звено рессоры. К нему, в свою очередь, подсоединяются остальные четыре звена. Переднее по ходу автомобиля звено одновременно крепится к кронштейну рамы, а заднее - к серьге рессоры. Серьга же шарнирно присоединяется к соответствующему кронштейну рамы.
Такая структура модели рессоры позволяет учитывать уменьшение активной длины рессоры вследствие зажатия ее средней части стремянками и обусловленное этим увеличение жесткости подвески. Введение в расчетную модель серьги дает возможность учитывать изменение длины (а, следовательно, и жесткости) рессоры в процессе ее динамической деформации, а также влияние угла наклона серьги на жесткость рессоры.
Все места крепления звеньев рессоры и серьги моделируются соединительными элементами, каждый из которых имеет свою механическую характеристику, учитывающую упругую и демпфирующую составляющие. Таким образом, расчетная модель подвески позволяет принимать во внимание не только параметры самой рессоры, но и оценивать влияние жесткостных и демпфирующих свойств деталей крепления (например, резиновых втулок).
Буферы хода сжатия также включены в динамическую модель. Каждый из них работает в вертикальном направлении только при контакте с ними рессоры, и поэтому его характеристика моделирует зазор с односторонним упором.
Амортизаторы подвесок мостов представляют собой вертикальные демпфирующие связи с кусочно-линейными характеристиками. Исходными данными при этом являются ход штока амортизатора, коэффициенты демпфирования на клапанном и дроссельном режимах (на ходах сжатия и отбоя), а также скорости начала открытия клапанов при ходах сжатия и отбоя. Кусочно-линейная скоростная характеристика амортизатора имеет четыре участка, соответствующие дроссельному и клапанному режимам работы, различные для ходов сжатия и отбоя.
В динамическую модель автомобиля включены передний и задний стабилизаторы поперечной устойчивости. Стабилизатор представляется состоящим из двух половин, соединенных шарнирно между собой. Каждая из них крепится к балке моста и подсоединяется к серьге, которая крепится к кронштейну рамы. Все места крепления звеньев стабилизатора и серьги моделируются соединительными элементами, каждый из которых имеет свою механическую характеристику, которая представляет собой сумму упругой и демпфирующей составляющих.
Для нахождения рациональных параметров вертикальной жесткости листовых рессор зависимой подвески были построены статические характеристики. Для этого моделировалось вертикальное перемещение автомобиля под действием медленно изменявшейся вертикальной нагрузки -синусоидальной силы, приложенной в центре вертикальной упругости подвесок. Последний определялся подбором точки приложения силы путем минимизации угла продольного крена автомобиля при вертикальном нагружении. Результаты такого моделирования представлены на рис. 3 в виде зависимостей вертикальной нагрузки на колесо от вертикального перемещения колеса относительно кабины.
О
-оло
-0,06
-0,02
0,02
0,06
А, м
Рис. 3. Зависимости вертикальной нагрузки на колесо от вертикального перемещения колеса относительно кабины для двух вариантов вертикальной жесткости листовой рессоры: 1 - 130 кН/м; 2 - 196 кН/м
Исследовались два варианта листовых рессор:
1) вертикальная жесткость 130 кН/м, стрела прогиба в свободном состоянии 200 мм;
2) вертикальная жесткость 196 кН/м, стрела прогиба в свободном состоянии 133 мм.
Рис. 3 показывает, что рессоры обоих вариантов обеспечивают приблизительно одинаковые статическую деформацию 100 мм и динамическую деформацию 100 мм. При этом сила сухого межлистового трения составляла 1000 Н.
Далее определялась частота вертикальных колебаний при переезде единичной неровности треугольной формы с высотой 50 мм и длиной основания 2 м со скоростью 18 км/ч. На рис. 4 показаны временные реализации вертикальных перемещений сиденья водителя для обоих рассматриваемых вариантов рессоры. Указанные варианты жесткости рессоры обеспечивают частоту вертикальных колебаний на сиденье водителя 1,15 и 1,32 Гц соответственно.
Рис. 4. Временные реализации вертикальных перемещений сиденья водителя при переезде единичной неровности треугольной формы со скоростью 18 км/ч для двух вариантов вертикальной жесткости листовой рессоры: 1 - 130 кН/м; 2 - 196 кН/м
Кинематика листовых рессор передней подвески должна обеспечивать динамический прогиб 100 мм. При превышении этой величины происходит передача ударной нагрузки на раму.
Выводы
1. Построена пространственная модель автомобиля повышенной проходимости, позволившая получить характеристики вертикальных жест-костей зависимых подвесок с учетом реальной кинематики элементов подвесок и особенностей их установки на автомобиле.
2. Рациональная жесткость листовой рессоры составляет 196 кН/м. Это обеспечивает частоту вертикальных колебаний на сиденье водителя 1,32 Гц и достаточную энергоемкость при малом динамическом ходе 100 мм. Суммарный прогиб подвески около 200 мм.
3. Для передней подвески требуется установка буфера хода сжатия, ограничивающего динамические перемещения моста величиной 100 мм.
4. Для передней подвески следует выполнить более детальное ис-
следование по ограничению длины рессоры с целью обеспечения ее кинематики, исключающей появление ударной нагрузки на раму.
Список литературы
1 Компьютерные методы построения и исследования математических моделей динамики конструкций автомобилей: монография / А.С. Го-робцов [и др.]. М.: Машиностроение, 2011. 463 с.
2. Горобцов А. С. Программный комплекс расчета динамики и кинематики машин как систем твердых и упругих тел // Инженерный журнал № 9. 2004. C. 40 - 43.
A.S. Gorobtsov, Yu.A. Polyakov, S.V. Solodenkov
DETERMINATION OF RIDE STIFFNESSES DEPENDENT SUSPENSIONS OF CROSS-COUNTRY CAR BY MEANS OF SPATIAL MODEL
The spatial model of cross-country car, allowing receive ride stiffness parameters of dependent suspensions taking into account the real kinematics of elements of suspensions and features of their setting on a truck, is built.
Key words. Ride stiffness, dependent suspension, spatial model of cross-country car.
Получено 07.03.12
