Повышение надёжности системы подвески автомобилей путём мониторинга технического состояния амортизаторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.1.05 Остренко Алексей Геннадьевич,

старший преподаватель кафедры «Автомобильный транспорт», Севастопольский государственный университет, тел. 8797002178, e-mail: ostrenich@rambler.ru

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМЫ ПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЕЙ ПУТЁМ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АМОРТИЗАТОРОВ

A.G. Ostrenko

IMPROVING THE RELIABILITY OF VEHICLES THROUGH SUSPENSION MONITORING OF SHOCK TECHNICAL STATE

Аннотация. В статье показано влияние надёжности автомобильных амортизаторов на безопасность дорожного движения. Обоснована экономическая целесообразность внедрения системы непрерывного контроля технического состояния автомобильных амортизаторов, позволяющая избежать затраты на дорогостоящее диагностическое оборудование и оплату труда операторам, снижения коэффициента технической готовности автотранспортных средств. Оценено влияние износа деталей амортизатора на его динамические характеристики и на коэффициент сопротивления. Впервые автором представлена одномассовая колебательная расчетная схема подвески в общей колебательной системе автомобиля, в которой учтена нелинейность и несимметричность динамических характеристик гасителя колебаний. Изложен подход к осуществлению мониторинга технического состояния автомобильных амортизаторов, позволяющий оперативно оценить их пригодность к дальнейшей эксплуатации по рассогласованию спектральной плотности вертикальных ускорений подрессоренных масс.

Ключевые слова: автомобильный амортизатор, мониторинг, остаточный ресурс, надёжность, плавность хода, спектральная плотность.

Abstract. The article shows automotive shock absorbers reliability influence on road safety. Economic feasibility of the continuous monitoring system of technical state of automotive shock absorbers, allowing to avoid the costs of expensive diagnostic equipment, labor costs to operators and reducing the coefficient of technical readiness of vehicles is proved. The effect of the shock absorber parts wear on its dynamic performance and drag coefficient. For the first time the author shows the oscillating single-mass design scheme for a total suspension of the vibrational system of the car, which takes account of the nonlinearity and asymmetry of the dynamic characteristics of the damper. The approach to the monitoring of technical condition of automobile shock absorbers, allowing operatively to assess their suitability for further use by misalignment of the spectral density of the vertical acceleration of the suspended mass.

Keywords: car shock absorber, monitoring, residual life, reliability, smooth ride, spectral density.

Введение

В условиях современного развития промышленности Российской Федерации роль автомобильного транспорта непрерывно возрастает.

Независимо от транспортно-технологиче-ского назначения системы «водитель - автомобиль - дорога - среда» её важнейшие эксплуатационные свойства и их реализация в значительной мере определяются плавностью хода и виброзащитой водителя, пассажиров и груза. Поэтому постоянное совершенствование и поддержание в надлежащем техническом состоянии систем подвески, виброзащиты, амортизаторов транспортных средств является одной из важнейших задач промышленности, организаций, предприятий, а также частных владельцев, эксплуатирующих транспортную технику, в частности автомобили.

Кроме того, задача повышения безопасности движения автомобильного транспорта всегда была и остаётся весьма актуальной. Это связано с увеличением количества транспортных средств и с повышением их средней скорости движения, а также с ростом интенсивности движения на дорогах [1, с. 123].

Решение этой задачи зависит от надёжности и функциональных свойств системы подвески автомобиля, влияющей на управляемость и устойчивость транспортного средства.

Диагностика технического состояния подвески автомобиля становится важной и актуальной в связи с увеличением парка эксплуатируемых автомобилей на дорогах Российской Федерации, «омоложения» водительского состава обоих полов. Новые автомобили проходят гарантийное обслуживание на фирменных станциях технического обслуживания (СТО), а после (по истечении 3.. .5 лет) -на СТО с меньшей стоимостью нормо-часа по сравнению с фирменной СТО. Зачастую обслуживание происходит в крайнем случае - при отказе. Поскольку необходимое оборудование (линии инструментального контроля со стендами) достаточно дорогое, оно остается мечтой для многих владельцев СТО. Если учесть, что за последние годы увеличилась мощность двигателей и выросли скорости движения, то возникла необходимость объективного своевременного мониторинга состояния подвески, непосредственно влияющего на безопасность движения и эффективность использования транспортных средств.

Сегодня наиболее полно отвечают требованиям объективной оценки технического состояния подвески автомобиля линии инструментального контроля, содержащие в своем составе тормозной стенд, стенд проверки ходовой части автомобиля, тестер бокового увода автомобиля [2, с. 75] и др. Интересен метод диагностирование подвески по

свободным колебаниям, основанный на сравнении эталонной кривой затухающих колебаний кузова с кривой, полученной в процессе испытаний. Эти кривые могут быть получены двумя методами: подъемом и сбрасыванием автомобиля с определенной высоты (обычно 10...15 см [2, с. 75]).

Наиболее распространены стенды, в которых применяются резонансный метод измерения амплитуды колебаний MAHA/BOGE и метод измерения сцепления с дорогой (Еи8ЛМЛ).

Несмотря на различия методов диагностики состояния подвески, их объединяет одно - диагностика осуществляется периодически и проводится только в условиях СТО. Отсутствует непрерывный контроль состояния подвески, которое зависит от условий эксплуатации транспортного средства, субъективных факторов и даже заводского качества элементов подвески. Это может влиять на показатели автомобиля и стоимость ремонта.

Постановка задачи

В работах [3-6] коэффициент сопротивления амортизатора рассматривался как постоянная величина. Такое допущение не позволяет определить влияние степени износа элементов амортизатора на колебания кузова автомобиля в различных дорожных условиях. Кроме несимметричности динамических характеристики автомобильных амортизаторов на ходах отбоя и сжатия также необходимо учитывать их нелинейность и изменение нелинейности в процессе эксплуатации.

В связи с вышеизложенным особый интерес представляет задача разработки системы мониторинга автомобильных амортизаторов, позволяющей своевременно обнаружить износ элементов амортизатора в процессе эксплуатации транспортного средства.

Описание системы мониторинга

технического состояния амортизаторов

Система мониторинга состоит из восьми датчиков ускорений, имеющихся на современных автомобилях с управляемой подвеской, микроконтроллера и информационного табло.

Первая группа датчиков закрепляется на рычагах подвески, связанных с неподрессоренными массами автомобиля, а вторая группа - на кузове, в зоне колёсных арок.

Система работает следующим образом. В процессе движения колёса автомобиля при наезде на неровности совершают колебательные движения, ускорения которых фиксируются датчиками. Так же, но уже с другими параметрами колебаний перемещается кузов транспортного средства. Информация об ускорениях с колёсных датчиков и датчиков, закреплённых на кузове, передаётся на

микроконтроллер. Далее происходит обработка результатов с применением математического аппарата спектрального анализа [7, с. 14]. При расхождении теоретической и экспериментальной спектральной плотности вертикальных ускорений подрессоренной массы микроконтроллер подаёт сигнал на информационное табло, которое показывает, какой амортизатор вышел из строя.

Разработка математической модели

системы мониторинга

Математическая модель программы заключается в описании работы одномассовой колебательной расчётной схемы подвески в общей колебательной системе автомобиля [8, с. 125]. Так как необходимо учитывать нелинейность и несимметричность динамических характеристик гасителя колебаний, то для описания применяется дифференциальное нелинейное уравнение второго порядка:

9

d2 y(t ) dy(t) dq(t)

m—^ + ц dy}1 + cy(t ) = ц -q-t + cq(t ), (1)

dt2 dt dt где m - подрессоренная масса, кг; y(t) - перемещение подрессоренной массы, м; ц - коэффициент сопротивления амортизатора, Нс/м; c - жёсткость подвески, Н/м; q(t) - возмущение от дорожного покрытия.

Для исследования влияния процесса износа амортизатора будем рассматривать силу его сопротивления как функцию двух переменных, при этом рассмотрим два варианта зависимости силы сопротивления от параметров износа

(2)

Р = f (V, k ),

Р = I (V, Л), (3)

где Р - усилия на штоке амортизатора, Н;

м

V- скорость перемещения поршня, —; к - коэффи-

с

циент учитывающий степень износа пружины клапана отбоя; к - коэффициент, учитывающий степень износа поршневого кольца.

Коэффициенты к и к определяем экспериментально на стенде. Для этого варьируем усилие затяжки гайки клапана отбоя (2,5; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 и 30,0 Нм) и износ поршневого кольца (0,45; 1,00; и 1,5 мм), создаваемый искусственно.

Решить уравнение (1) с различными, зависящими от скорости поршня и износа элементов амортизатора значениями ц представляется возможным с помощью численного метода Рунге - Кутты. Найденные значения ускорений подрессоренной массы и значения

Транспорт

ускорений неподрессоренных масс используются для построения корреляционной функции (г)

[9].

Определение спектральной плотности будем производить по корреляционной функции Ях (г):

ад ад

¿х(ю) = |Ях(г)е-иУт = 2|Ях(г)со8(ют, (4)

-ад 0

где г = ?! — ?2; /2 - границы временного интервала (рис. 1) [10, с. 169].

На рис. 2 и 3 показаны спектральные плотности ускорений подрессоренной массы автомобиля при движении по дороге с грунтовым покрытием на скорости 40 км/ч.

Критерий определения технического состояния амортизаторов заложен в калибровочных таблицах, загруженных в программу микроконтроллера. Указанные таблицы позволяют сравнить тео-

ретические и действительные значения спектральной плотности вертикальных ускорений подрессоренной массы при различных спектральных плотностях вертикальных ускорений неподрессоренной массы, которые обусловлены скоростью движения автомобиля и типами дорожных покрытий.

Остаточный ресурс амортизатора при известной наработке с начала эксплуатации определим как разность между наработкой до предельного значения спектральной плотности вертикальных ускорений подрессоренной массы и наработкой в момент контроля по формуле:

? = ?

ост

(

(ГС)П

¿X (ГС)

л;

—1

(5)

где I - ресурс, использованный элементом от начала эксплуатации к моменту контроля;

си

0.4

I «-1 I I ■ I ■ 1 ■ ^

о «о 20 зо ло » „ ;«

Рис. 2. Спектральная плотность вертикальных ускорений подрессоренных масс транспортного средства (различная степень износа клапанной пружины): 1 - при незначительном износе; 2 - при среднем износе; 3 - при значительном износе

о ю 211 зо т зо [ бо

Рис. 3. Спектральная плотность вертикальных ускорений подрессоренных масс транспортного средства (различная степень износа поршневого кольца):

1 - при незначительном износе; 2 - при среднем износе; 3 - при значительном износе

^ (ю)п - предельное изменение значения спек-

тральной плотности;

; sx (ш), -

изменение значения

спектральной плотности в момент контроля; а - показатель степени, характеризующий изменение значения спектральной плотности.

Согласно ОСТ 37.001.440-86, допустимые отклонения значений сопротивлений усилию и сжатию амортизатора не должны превышать 20 %. Таким образом, предельным значением спектральной плотности будет являться величина, отличающаяся более чем на 20 % от теоретических значений, заложенных в калибровочных таблицах.

Заключение

Предложенная система позволяет оперативно производить мониторинг технического состояния автомобильных амортизаторов, определять их остаточный ресурс, не используя дополнительное диагностическое оборудование, обеспечив тем самым предотвращение критического износа элементов амортизатора и повышение надёжности системы подвески, а также безопасности и комфортности движения автомобиля.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. Гозбенко В.Е., Крипак М.Н., Иванков А.Н. Совершенствование транспортно-экспедицион-ного обслуживания грузовладельцев. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. 176 с.

2. Сергиенко Н.Е., Мирошниченко Н.В. Диагностика технического состояния подвески автомобиля бортовым устройством // Вестник НТУ «ХПИ». 2012. Вып. № 64 (970). С. 75-80._

3. Мирзоев Г.К., Ермолин А.В., Храпов Д.С. Оценка демпфирующих и виброизолирующих способностей подвески по результатам дорожных испытаний автомобиля // АВТОВАЗ. Тольятти : ТГУ, 2004. С. 34-39.

4. Akopjan R., Lejda K. Theoretical and operational problems of buses and their prime movies/ R. Akopjan. Lvov: "Meta", 2002. 450 p.

5. Akopjan R., Lejda K. Some problems of theory, constructions exploitation of automotive transport facilities. / R. Akopjan. Lvov: "BMC", 2006. 579 p.

6. Акопян Р.А. Давидок C.I. Вiброзахист авто-транспортних засобiв. Львiв: НВП «Мета», 1988. 304 с.

7. Динамика системы дорога - шина - автомобиль - водитель / Под ред. А. А. Хачатурова. М. : Машиностроение, 1976. 535 с.

8. Гозбенко В.Е. Методы прогнозирования и оптимизации транспортной сети с учетом мощности пассажиро и грузопотоков / В.Е. Гозбенко., А.Н. Иванков, М.Н. Колесник, А.С. Пашкова. Деп. в ВИНИТИ 17.04.2008, № 330-В2008.

9. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М. : Машиностроение, 1973. 606 с.

10. Огрызков С.В., Ветрогон А.А., Крячков А.А. Совместные колебания подвески и кузова автомобиля // Вюник Схщноукрашського национал. ун-ту iм. В.Даля. Луганськ, 2011. Вып. 122. С. 167-172.

УДК 656.078.14 (571.6):338.47 Нагорная Нина Валерьевна,

преподаватель, Хабаровский техникум железнодорожного транспорта, факультет среднего профессионального образования, Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск

тел. 8(914)312-02-17, e-mail: nina2920@mail.ru Гончарук Сергей Миронович, д. т. н., профессор кафедры «Железнодорожный путь», Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск тел. 8(914)162-39-11, e-mail: goncharuksergey@mail.ru

ОСОБЕННОСТИ И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ТРАНСПОРТНЫХ КОРИДОРОВ ДЛЯ СВЯЗИ ОЧАГОВ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ С ОПОРНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТЬЮ ДФО

N. V. Nagornaya, S. M. Goncharuk

AN ECONOMIC ANALYSIS INCLUDING KEY CONSIDERATIONS IN RELATION TO THE IMPORTANCE OF THE FORMATION OF TRANSPORT CORRIDORS LINKING TO NATURAL RESOURCE HUBS WITHIN THE SUPPORTING TRANSPORT NETWORK

OF THE FAR EASTERN FEDERAL DISTRICT

Аннотация. Настоящая статья посвящена анализу особенностей, проблем и актуальности формирования и экономической оценки региональных мультимодальных транспортных коридоров (РМТК) для связи очагов природных ресурсов с опорной транспортной сетью ДФО для организации экспорта природных ресурсов в страны АТР на основе разработанной авторами