CC BY
126
Section 6. Machinery construction
Fig.5. Effects of injured person mass from the speed of its descent.
Conclusions. Thus, we can conclude that the design kinetic energy is an effective and reliable means of rescuing
of individual high-rise fire-rescue device with dysypatoramy people from buildings high-rise buildings
References:
1. Устройство для аварийного спуска людей с высотных зданий. Пат 2265465 Россия, МПК А 62 В 1/10 ОАО «З-д им. В. А. Дегтярева», Клопов Н. В. № 2004126575/12; Заявл. 01.09.2004; Опубл. 10.12.2005
2. Канат для спасения с постоянной скоростью. Constant velocity cable lowering device: Заявка 2394214 Великобритания, МПК А 62 В 1/00, 35/00. Williams David Hume. № 02239432; Заявл. 15. 10 2002; Опубл. 21. 04. 2004; НПК В8 М.
3. Персональная система эвакуации с высотных зданий (США). Egress: personal building evacuation system. Clothier David Elevator World, - 2005, Vol.53, № 3, p. 63-64
4. Rocard Y. Dynamique generale des vibrations. Paris: Masson, 1949. - 179 p.
5. Гавриленко Б. А., Минин В. А., Рождественский С. Н. Гидравлический привод. M.: «Машиностроение», 1968, - 502 с.
6. Семерак М. М., Камшський А. В. Вибiр та обгрунтування конструктивно! схеми автоматичного регулятора швидкосй шдив^уального пожежно-рятувального пристрою. Л^в: Втник ЛДУ БЖД № 1, 2007. - С. 121-130.
Filatov Vladimir Viktorovich, 5th course student at the Faculty of Construction and Mechanics, Moscow State Automobile аnd Road Technical University (MADI)
E-mail: [email protected]
Optimization of parametres of the smoothness running of the perspective bus line of modular build with unified suspension assembly
Abstract: In the article the description of the principle of a modularity of a vehicle design is given. The research method of motion smoothness of buses of a perspective modular design is considered, the technique of creation of mathematical solid-state model of the vehicle is described by means of CAD “SolidWorks Motion" and the solution of a task on optimization of parameters of motion smoothness.
Keywords: principle of a modularity, motion smoothness, CAD, SolidWorks Motion.
60
Optimization of parametres of the smoothness running of the perspective bus line of modular build with unified suspension assembly
Филатов Владимир Викторович, Студент 5 курса Конструкторско-механического факультета, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) E-mail: [email protected]
Оптимизация параметров плавности хода перспективного семейства автобусов модульной конструкции с унифицированными узлами подвески
Аннотация: В статье дается описание принципа модульности конструкции наземного транспортного средства. Рассмотрен способ исследования плавности хода семейства автобусов перспективной модульной конструкции, описана методика создания математической твердотельной модели транспортного средства средствами САПР «SolidWorksMotion» и решения задачи по оптимизации параметров плавности хода.
Ключевые слова: принцип модульности, плавность хода, САПР, SolidWorksMotion.
Главным преимуществом модульной компоновки является возможность создать транспортное средство в зависимости от его назначения, устанавливая на унифицированную раму группу модулей.
Модули могут нести различную функциональную нагрузку, например, силовые модули, грузовые модули (платформы для транспортировки грузов), транспортные модули, модули управления (Рис. 1). Таким образом, спроектировав унифицированную ходовую часть для установки модулей, мы получаем возможность создания целого семейства транспорт-
ных средств различного класса, назначения в зависимости от компоновки, построенного на единых взаимозаменяемых узлах и агрегатах. В настоящее время принцип широко применяется в мировом автомобилестроении.
В качестве примера приведем концерн VolkswagenGroup, инженеры которого разработали универсальную модульную платформу MQB (Рис. 2) в 2011 году. Архитектура этой платформы основана на принципе изменяемых и унифицированных габаритных размеров.
Рис. 1. Вариант иерархического построения конструкции модульного грузового транспортного средства
61
Section 6. Machinery construction
Рис. 2 Модульная платформа MQB
Изменяемыми являются расстояние от педали газа до переднего моста, унифицированными размерами — размеры колесной базы, свесов, колеи и колес. Состыковывая модули различных размеров, на базе одной платформы можно собрать автомобили различного класса и типа. Сближение конструкции двигателей и унификация их расположения позволили добиться полной взаимозаменяемости различных моторно-трансмиссионных установок. На базе этой платформы создано множество моделей концерна, таких, как VolkswagenPolo, Beetle, Golf, Jetta, Scirocco, Passat, Tiguan, Audi A3, SkodaOctavia, SeatLeon.
В Советском Союзе в конце 80-х годов велись разработки прототипов магистральных тягачей нового
Рис. 3. Фото прототипа МАЗ 2000 «Перестройка» (экземпляр № 1) поколения. Самым примечательным среди них был проект генерального конструктора «ОАО МАЗ» Михаила Степановича Высоцкого (10.02.192825.02.2013) МАЗ 2000 «Перестройка» (Рис. 3).
В передней части автомобиля располагался блок, состоящий из двигателя, коробки передач, переднего ведущего моста с подвеской и рулевого управления. Задняя же часть могла собираться из независимых модулей. Таким образом, имелась возможность изменения длины и грузоподъемности магистрального автопоезда путём добавления нескольких грузовых блоков. К сожалению, прототип в серию не пошел, но идея осталась, актуальность ее применения в современном процессе создания транспортных средств высока.
Рис. 4. Математическая модель движения транспортного средства по неровностям в SolidWorksMotion
62
Optimization of parametres of the smoothness running of the perspective bus line of modular build with unified suspension assembly
САПР SolidWorksMotion.
SolidWorksMotion (COSMOSMotion) — модуль, позволяющий проводить кинематическое и динамическое исследование математических моделей различного уровня сложности. В данной работе исследуется кинематика и динамика транспортного средства (автобуса). Целью SolidWorksMotion является анализ движения механизмов. Данный функциональный модуль имитирует движение расчетной модели, базируясь на созданной 3D сборке. Добавление использует уровни «Движение сборки» и «Физическое моделирование», являющиеся базовыми для конфигурации SolidWorksStandard. После проведения расчета формируются эпюры перемещений, скоростей, ускорений и прочих параметров каждой из точек 3В-модели.
Операции преобразования 3D сборки в расчетную модель:
• Основная часть расчетной модели создается в SolidWorksStandard. Соединения Motion представляют собой сопряжения в SolidWorks.
• В дополнение к сопряжениям можно задать коэффициенты трения и параметры взаимодействия «трущихся» деталей.
• Сопряжения (применительно к анализу) могут быть заменены податливыми втулками, обладающими заданной жесткостью и демпфирующими свойствами.
• В интерфейсе сопряжений SolidWorks также определяются грани, воспринимающие усилия, с целью последующего использования результатов динамического анализа в Simulation.
• Модуль Motion допускает расчет на модели, в которой отсутствует твердотельная информация. В этом случае используются компоновочные эскизы, созданные в контексте сборки. Для выполнения динамического анализа соответствующим блокам должны быть присвоены массово-инерционные характеристики.
Методика проведения исследования движения математической модели транспортного средства.
Рассмотрим методику проведения исследования движения на примере математической модели переднеприводного автомобиля 4х2.
Рис. 5. Твердотельная 3D-модель багги (4х2)
Первым этапом исследования является построение 3D сборки транспортного средства (Рис. 5).
Исследуемый тип подвески — рычажная независимая (Рис. 6). Данная модель состоит из 17 элементов.
Были спроектированы детали: колесо, рычаг подвески верхний, рычаг подвески нижний, ступицы колес (левая и правая), несущий кузов. Каждой детали присвоена соответствующая масса. Далее детали объединялись в сборку, накладывались соответствующие сопряжения.
Вторым этапом является проектирование трассы. Создается деталь, представляющая собой трассу с препятствиями различной конфигурации (Рис. 7). В данном случае, модель содержит два препятствия, условно названные, как «Выступы» и «Подъем-спуск». При испытании математической модели автобусов используются искусственные неровности типа «Лежачий полицейский», спроектированные в соответствии с ГОСТ Р 52605-2006.
Рис. 6. Конструкция подвески рассматриваемой модели На третьем этапе трасса и автомобиль объединяются в сборку, задаются соответствующие сопряжения. С помощью добавления SolidWorksMotion создаем исследование. Движение — прямолинейное, равномерное. Тип исследования — анализ движения. Задается симуляция 3D контакта каждого из колес автомобиля и дороги соответствующей командой SolidWorksMotion. Скольжением пренебрегаем, установив значение коэффициента трения в положение «Липкий» в параметрах 3Dконтакта. Теперь необходимо задать упругие, демпфирующие элементы и двигатели.
I _________________________________________________________:_________________________________________________к -____________________________________________________,_______________________________________________,___________________________________________________________________________________________________l
Рис. 7. Общий вид испытательной трассы Для этого, на панели инструментов выбираем соответствующие элементы и устанавливаем на модель.
На четвертом этапе задаем точку на уровне головы водителя, где необходимо замерить вертикальные перемещения, скорости и ускорения для оценки перегрузки водителя во время преодоления препятствий.
63
Section 6. Machinery construction
Рис. 8. Въезд на препятствие «выступы» Запускаем расчет. Во вкладке «Результаты» можно отобразить необходимые эпюры в заданной точке и сделать вывод о плавности хода модели. Верти-
кальные ускорения в точке, соответствующей голо-веводителя, при заданной скорости движения должны быть меньше 1,0 g. Если условие выполняется, то плавность хода удовлетворительна.
По данным графиков (Рис. 9) можно судить об эффективности работы систем подрессоривания и, путем варьирования характеристик направляющих, упругих и демпфирующих элементов, а также положения центра тяжести, и геометрических характеристик самой модели (база, колея, передний и задний свесы) добиться оптимального результата по плавности хода модели.
64
Рис. 9. Эпюры вертикального перемещения, скорости и ускорения в исследуемой точке (уровень головы водителя)
Optimization of parametres of the smoothness running of the perspective bus line of modular build with unified suspension assembly
Математическая модель заднего и переднего мостов в сборе.
В качестве прототипа моделирования была выбрана зависимая автобусная пневмобалонная подвеска автобуса Scania (Рис. 11), потому что такая конструкция нашла широкое применение среди низкопольных современных автобусов.
Пневмоподвески широко применяются на городских и междугородных автобусах, причем спереди пневмоэлементы являются составной частью как зависимых, так и независимых по кинематике подвесок.
Рис. 11. Пневматическая зависимая подвеска Scania.
Пневмоподвеска легче рессорной, обеспечивает более высокую плавность хода и дает возможность регулировать расстояние от пола кузова до поверхности дороги. Это особенно важно для грузовых автомобилей, где необходимо облегчить процесс погрузки-разгрузки автомобиля у пандусов, складских помещений и т. п. Пневматическая подвеска автобусов обеспечивает постоянство уровня пола вне зависимости от количества пассажиров, что увеличивает комфорт и безопасность при их посадке и высадке. Конструкция пневматических подвесок некоторых автобусов дает возможность дополнительно понижать уровень пола на остановках.
Различают два типа пневматических упругих элементов:
— с переменной эффективной площадью, зависящей от перемещения опорных фланцев элемента
(обычно резино-кордные);
— поршневого типа, у которых в процессе деформации эффективная площадь остается постоянной.
Наибольшее распространение получили резино-кордные двойныепневмобаллоны. Такой баллон устанавливается между опорными фланцами (пластинами) подвески и крепится к ним с помощью винтов, при этом буртики оболочки зажимаются между фланцами, герметизируя внутреннюю полость. Кольцо ограничивает радиальное расширение, обеспечивает правильное складывание оболочек при сжатии, способствует повышению несущей способности и износостойкости баллона.
Собственная частота колебаний при увеличении статической нагрузки несколько уменьшается, тем медленнее, чем выше давление газа, а потому плавность хода пустого и наполненного людьми автобуса не может быть одинаковой.
Долговечность баллонов определяется не только их собственной конструкцией и качеством полиамидных материалов и резины, но также и конструкцией направляющего аппарата подвески. Его кинематика должна быть такой, чтобы баллоны работали только на сжатие. Число слоев корда (обычно это нейлон и капрон) равно двум — четырем. Внутренний слой резины должен быть не только воздухонепроницаемым, но и маслостойким. Внешний слой должен сопротивляться воздействию лучей солнца, озона, бензина — для него применяют неопрен. Таким об-разомпневмобаллон состоит из нескольких слоев прорезиненной кордной ткани (каркас) с внутренним герметизирующим и внешним защитным слоями.
Пневматический упругий элемент целесообразно применять в двух случаях: когда подрессоренная масса при загрузке автомобиля меняется в широких пределах (задние подвески грузовых автомобилей, в том числе седельных магистральных тягачей, автобусов, прицепов), или когда к плавности хода предъявляются особые требования, для выполнения которых необходимо регулирование характеристики
65
Section 6. Machinery construction
подвесок. В этом случае параллельно пневмобаллонам часто устанавливают дополнительныепневморезерву-ары, обеспечивающие более пологую характеристику упругого элемента.
Рис. 14. Характеристика пневматического упругого элемента.
На графике (Рис. 14) приведены характеристики различныхпневмоэлементов. По мере сжатия простого баллона растет не только давление воздуха в нем, но и его эффективная площадь, поэтому жесткость подвески увеличивается (кривая 1) При дополнительных резервуарах подвеска на двухсекционных баллонах обеспечивает частоту колебаний подрессоренных масс не более 80 мин-1 (кривая 2). Трехсекционные баллоны позволяют снизить эту частоту еще на 10-15%.
Стремление уменьшить габариты упругого элемента, собственную частоту колебаний и емкость дополнительных резервуаров привело к развитию конструкций с пневмоэлементами рукавного и диафрагменного типа (кривая 3).
Математические модели прямолинейного движения двухосного, трехосного, трехосного сочлененного автобусов с зависимой подвеской.
Рассмотрим прямолинейное движение математических моделей двухосного, трехосного и трехосного сочлененного автобусов. Исследование проводится в среде добавления SolidWorks V13 Motion. Допустим вертикальные и продольно-угловые колебания машин. Остальными видами колебаний пренебрегаем.
Рис. 11. Математическая модель двухосного автобуса.
Геометрические и массовые параметры моделей двухосного, трехосного и трехосного сочлененного автобусов взяты из сводной таблицы, которая была составлена после создания классификатора современных образцов автобусов. Были взяты средние значения геометрических и массовых параметров автобусов, как исходные данные.
Рассмотрим критический случай нагружения автобусов, когда его масса равна максимально допустимой. Приведем массы трансмиссии, силовой установки и ходовой части к раме автобуса. Масса корпуса автобуса равна полной массе за вычетом массы приведенной рамы. Массы рам соответственно для двухосного, трехосного и трехосного сочлененного автобусов равны: 10000 кг, 14593 кг, 9500 (5600) кг. Массы корпусов соответственно: 6730 кг, 8500 кг и 7500 (4500) кг. Массы задаются через пункт “массовые характеристики детали" пользователем. Положение центра тяжести определяется в зависимости от геометрии конструкции.
Рис. 16. Математическая модель трехосного автобуса.
Заданные массы по умолчанию можно варьировать в процессе исследования для получения оптимальной характеристики работы подвески при различных режимах. Заданы упругие и демпфирующие элементы. Характеристика упругого элемента — нелинейная (пневмобаллон).
Рис. 17. Математическая модель трехосного сочлененного автобуса.
Характеристика демпфирующего элемента — линейная (гидравлический амортизатор). Двигатель установлен на колеса задней оси, колеса вращаются
66
Optimization of parametres of the smoothness running of the perspective bus line of modular build with unified suspension assembly
с частотой 800 об/мин, что приблизительно соответствует скорости в 40 км/ч.
Математические модели двухосного, трехосного и трехосного сочлененного автобусов представлены на рис. 15,16,17 соответственно. Сочленение сцепленного автобуса выполняется в виде шарнира с одной вращательной степенью свободы. Оно представлено на рис. 18.
Рис. 18. Шарнирное соединение трехосного сочлененного автобуса.
Разработанные модели прямолинейного движения двухосного, трехосного и трехосного сочлененного автобусов, а так же метод осуществления математического моделирования средствами Solid-
WorksMotion позволяют решать задачи оптимизации параметров плавности хода перспективного семейства автобусов модульной конструкции с унифицированными узлами подвески. Так же модели дают наглядное представление о работе подвески при наезде на препятствие при различных скоростях движения, позволяют судить о влиянии распределения масс при различной загрузке автобуса (полный, пустой, частично нагруженный). Результатом исследования являются графики перемещений, скоростей, ускорений исследуемых точек автобуса (центр тяжести, место водителя и т. д.). Для этого, необходимо задать конкретные параметры и запустить расчет. Таким образом, задача представляет собой серию проведенных исследований движения моделей.
В данной статье стоит упомянуть о том, что существуют специализированные САПР, (например, «Эйлер»), функциональная база которых позволяет решать данную и подобные задачи моделирования движения автотранспортного средства гораздо быстрее и удобнее, что позволит получить более точный результат.
Список литературы.
1. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель. Под ред. А. А. Хачатурова. М., «Машиностроение», 1976
2. Моделирование приборов, систем и производственных процессов [Учебное пособие]/Яблочников Е. И., Куликов Д. Д., Молочник В. И.; - СПб: СПбГУИТМО, 2008. - 156 с.
3. Моделирование и инженерный анализ в интегрированной среде SolidWorks/COSMOSWoks/В. В. Князьков, Р. Е. Алексеева, Э. М. Фазлулин//Авто-мобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров, междунар. конф. ААИ МГТУ «МАМИ», 27-28 марта 2012 г. - М., 2012. - С. 60-66.
4. Каталог САПР. Программы и производители/Латышев П. Н.- Москва: Солон-Пресс, 2006. - 608 с. (Серия - Системы проектирования).
5. 3Б-моделирование в AutoCAD, КОМПАС-3Б, SolidWorks, Inventor, T-Flex/Большаков В, Бочков А., Сергеев А. - Санкт-Петербург: Питер, 2010. - 336 (Учебный курс).
6. Теория движения МГ и КМ: учеб. Для вузов/Павлов В. В., Кувшинов В. В. - Чебоксары. Издание: ООО «Чебоксарскаятипография № 1», 2011. - 424 с.: ил.
67
