CC BY
40
УДК 629.1 14.4:629.1 1.012.3
ВЛИЯНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВЕСКИ И ШИН НА НАГРУЖЕННОСТЬ КОЛЁС АВТОМОБИЛЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО СТЕРНЕ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ
© 2014 г. В. А. Оберемок, С. Г. Пархоменко, A.M. Аванесян, И.М. Мели ков
Получены характеристики неровностей, воздействующих на передние и задние колёса автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых. Исследовано влияние скорости движения, нормальной жесткости рессор и шин, коэффициентов демпфирования подвески и шин на вертикальные колебания и нагруженность колес передней и задней осей автомобиля. Установлены значения нормальных жесткостей рессор передней и задней осей автомобиля, нормальной жёсткости шин, при которых динамическая нагрузка на колёса автомобиля минимальна.
Ключевые слова: пассивная подвеска, возмущающее воздействие, микропрофиль, амплитуда колебаний, нормальная жёсткость, коэффициент демпфирования.
Characteristics of ground bumps, affecting on front and rear wheels of a vehicle, during movement on stubble-field of grain crops, were received. Influence of speed, normal stiffness of bow springs and tires, damping coefficient of vehicle suspension and tires on the vertical vibration and loading of front and rear axles, was researched. Values of normal stiffness of bow springs of front and rear axles, normal stiffness of tires, with which dynamical load on vehicle wheels is minimal, were determined.
Key words: passive suspension, disturbing influence, microprofile, vibration amplitude, normal stiffness, damping coefficient.
В настоящее время на отечественных автотранспортных средствах (АТС) применяются пассивные подвески, характеристики которых в процессе эксплуатации не регулируются. Это объясняется простотой их конструкции, относительно высокой надёжностью, низкой стоимостью. Вопросы повышения виброзащитных свойств подвески автотранспортных средств отражены в работах многих отечественных и зарубежных учёных: А.Д. Горелика, A.C. Дьякова, В В. Новикова, Р.В. Ротен-берга, A.A. Хачатурова, H.H. Яценко, A.B. Поздеева, В.В. Щеховцова, М. Бекке-ра, И. Раймпеля и др. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].
Несмотря на усилия учёных и производителей АТС с пассивными подвесками, проблема повышения их плавности хода до уровней действующих норм до сих пор не решена.
Это обусловлено рядом причин. Во-первых, при проектировании таких подвесок приходится сталкиваться с рядом проблем, главная из которых заключается в конфликте требований к подвеске в отношении плавности хода, управляемости и устойчивости движения. С одной стороны, для увеличения плавности хода подвеска должна иметь «мягкие» настройки, а с другой - настройки должны быть достаточно «жесткими», чтобы обеспечить хорошие управляемость и устойчивость.
Следующая проблема состоит в том, что условиям движения автотранспортных средств (таким как дорожное покрытие, режим движения) свойственно изменяться. Поэтому для АТС характеристики пассивной системы подрессоривания приходится выбирать, исходя из его назначения и среднестатистических условий эксплуатации. В итоге такая подвеска, оптимизированная применительно ко всему диапазону условий эксплуатации, оказывается неоптимальной в каждой из конкретных дорожных ситуаций.
Существующие расчетные режимы нагружения колёс автомобилей определяются для условий, максимально прибли-
женных к дорожным условиям эксплуатации, и отражены в существующих стандартах. Однако эти стандарты нельзя применять для оценки функциональных качеств систем подрессоривания автомобилей, эксплуатирующихся в условиях сельскохозяйственного производства, значительно отличающихся от стандартных. Малый шаг неровностей, изменение упругодемпфиру-ющих характеристик под действием эксплуатационных факторов могут привести к возникновению нерасчётных режимов движения, приводящих к увеличению динамической нагрузки на колёса и элементы системы подрессоривания.
Следует отметить и зависимость характера возмущающего воздействия от распределения напряжений в контакте колеса с опорной поверхностью, реологических свойств опорного основания [8], а также упругих и демпфирующих свойств шины, которые также не являются величиной постоянной [9].
Однако работы по исследованию нагруженности колёс автомобиля при эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства практически не проводились.
Целью настоящей работы являлось исследование нагруженности колёс автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых.
Для проведения исследований была принята известная математическая модель системы «автомобиль — дорога» [10].
Для получения характеристик неровностей, воздействующих на передние и задние колеса автомобиля, была произведена запись сглаженного микропрофиля поля после уборки зерновых колосовых. Для записи сглаженного микропрофиля стерни колосовых использовалось специальное оборудование на базе трактора МТЗ-80. Запись требуемых параметров осуществлялась при помощи осциллографа К-12-22.
Обработка осциллограмм производилась по методике, предложенной А.А. Силаевым.
В результате обработки осциллограмм были получены статистические показатели микропрофиля (таблица 1), нормированная автокорреляционная функция, спектральная плотность воздействия микропрофиля.
Таблица 1 - Показат»
Для решения математической модели использовался численный метод интегрирования Рунге-Кутта четвёртого порядка. Значения постоянных коэффициентов уравнения рассчитаны на основании данных различных исследований и экспериментальных данных.
Результаты проведенных исследований приведены на рисунках 1-6. и микропрофиля поля
№/п Показатели Значение
1 Максимальная высота неровностей, м 0,0742
2 Минимальная высота неровностей, м 0,0490
3 Среднее квадратическое отклонение, м 0,0244
4 Дисперсия, м" 0,000597
кН 200 180 160 %0 120 100 60 60 40 20
2
у
1
8 12 16 20 2и 28 32 26 4 0 V. км/час Рисунок 1 - Зависимость максимальной нагрузки на передний (1) и задний (2) мост
от скорости движения
но
/Ой 100 О"У
84 76
68 60 52
РЯ
— / 7
V/
12
16
¿с
км/час
Рисунок 2 — Зависимость амплитуды колебаний переднего (1) и заднего (2) моста
автомобиля от скорости движения
Рисунок 3 - Зависимость максимальной нагрузки на задний мост от нормальной жесткости рессор
Рисунок 4 - Зависимость максимальной нагрузки на задний мост от радиальной жесткости шин
Рисунок 5 - Зависимость максимальной нагрузки на передний мост от нормальной жесткости рессор
и/к.
0,0 65 70 75 5Л 35 90 95 х,0: ш Рисунок 6 - Зависимость максимальной нагрузки на передний мост от радиальной жесткости шин
Результаты исследований показывают, что движение автомобиля сопровождается колебаниями показателей нагружен-ности ходовой системы с явно выраженными периодическими составляющими. Преобладающими частотами, на которых приходится максимальная амплитуда колебаний неподрессоренных масс и максимальные нагрузки на колёса, являются 8,8 рад/с и 16,4 рад/с. Пик максимальной нагрузки на передний мост наблюдается при скорости движения V = 20 км/ч (рисунок 1), на задний мост - при скорости движения V = 28 км/ч, что соответствует частотам внешних воздействий соответственно 9,7 рад/с и 13,6 рад/с. Пиковые значения нормальной нагрузки на передний и задний мосты превышают статическую нагрузку в 3,8-5,9 раз.
С увеличением скорости движения и удаления от резонансных частот динамическая нагрузка на мосты снижается. При скорости движения свыше 36 км/ч интенсивность снижения нормальной нагрузки резко снижается. При этом динамическая нагруженность колёс, особенно заднего моста, остаётся достаточно высокой.
Аналогичный вид имеют и кривые амплитуды колебаний переднего и заднего (рисунок 2) мостов. Однако кривая амплитуды колебаний переднего моста имеет точку минимума при скорости движения 28 км/ч (ю=13,6 рад/с). С увеличением скорости движения амплитуда колебаний пе-
реднего моста увеличивается, вызывая увеличение угловых колебаний автомобиля относительно поперечной оси.
С целью определения оптимальных упругодемпфирующих характеристик было исследовано влияние жесткости подвески и шин на амплитуду колебаний неподрессоренных масс и динамическую нагруженность колёс передней и задней осей при скорости движения автомобиля 20 км/ч.
Проведённые исследования показали, что с увеличением жесткости рессор динамическая нагруженность колёс задней оси снижается (рисунок 3).
Это объясняется повышением собственной частоты колебаний автомобиля и удалением от резонансных частот. С увеличением жесткости задних рессор 5,5*10" до 6,5*105 Н/м величина динамической нагрузки снижается на 13,8%. При дальнейшем увеличении жесткости задних рессор величина динамической нагрузки практически остаётся постоянной. Аналогичный характер протекания кривой нагрузки на задний мост от нормальной жесткости шин (рисунок 4). При увеличении радиальной жесткости шин заднего моста с 12-10" до 17-105Н/м динамическая нагрузка на задний мост снижается на 16,7%. При дальнейшем увеличении радиальной жесткости шин динамическая нагрузка на задний мост остаётся практически постоянной.
Влияние жесткости рессор передней подвески на нагруженность передних колёс неоднозначно. Максимальная динамическая нагруженность колес передней оси наблюдается при жесткости передних рессор Ср1 = 3,6-105 Н/м. С увеличением жесткости передних рессор нагрузка на передний мост снижается (рисунок 5). При увеличении жесткости свыше 5-105 Н/м снижение нагрузки замедляется и она остаётся практически постоянной.
С уменьшением жесткости рессор ниже 3,6*10' Н/м нагрузка на передний мост снижается. Однако при жесткости рессор 2,8-105.,.3,2-105 Н/м увеличиваются угловые колебания подрессоренных масс относительно поперечной оси, ухудшающие плавность хода. Поэтому оптимальной следует считать жесткость передних рессор в диапазоне 2,2-105... 2,6-105 Н/м.
Аналогично влияние на нагруженность переднего моста и радиальной жесткости шин передних колёс. Максимальная нагрузка на передний мост наблюдается при жесткости шин передних колёс Сил = 6,5-105 Н/м (рисунок 6). С увеличением жесткости нагрузка на передний мост снижается. Так, увеличение жесткости шин передних колёс с с 6,5-Ю5 до 9,0-105 Н/м позволит снизить нагрузку на передние колёса на 20,8%.
Аналогичен и характер протекания кривых амплитуды колебаний неподрессо-ренных масс переднего моста от нормальной жесткости шин и рессор.
Проведённые исследования показали, что изменение демпфирующих свойств пассивной подвески и шин в возможных пределах не оказывает существенного влияния на нагруженность колёс. Так, изменение сопротивления амортизаторов передних и задних мостов на 40-50% приводит к уменьшению нагрузки на передний мост на 4—6%. Изменение сопротивления шин в этом диапазоне приводит к уменьшению динамической нагрузки на 3-5%.
Выводы
Результаты выполненных в данной работе исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Кривые автокорреляционной функции и спектральной плотности воздействия микропрофиля поля на автомобиль являются убывающими функциями. Преобладающие частоты воздействия микропрофиля находятся в области низких частот. Более высокие частоты фильтруются вследствие сглаживающего эффекта пневматических шин и деформации опорного основания.
2. Интенсивность колебательных процессов в системе «автомобиль - дорога» зависит от скорости движения и упруго-демпфирующих характеристик элементов подвески автомобиля.
3. Максимальная нагрузка на передний мост наблюдается при скорости движения V = 20 км/ч, на задний мост - при скорости движения V = 28 км/ч, что соответствует частотам внешних воздействий соответственно 9,7 рад/с и 13,6 рад/с.
4. С увеличением скорости движения свыше 28 км/ч динамическая нагрузка на колеса снижается, но остаётся достаточно высокой.
5. Увеличение жёсткости рессор задней оси с 5,95-10" до 6,5-105 Н/м позволит снизить динамическую нагрузку на задний мост на 10,9%.
6. Оптимальная жесткость шин заднего моста находится в диапазоне 16-105... 18-105 Н/м.
7. Максимальная динамическая нагруженность колёс передней оси наблюдается при жесткости передних рессор Ср] = 3,6*105 Н/м. При уменьшении жесткости рессор передней оси до 2,8-103... 3,2-105 Н/м увеличиваются угловые колебания подрессоренных масс автомобиля относительно поперечной оси, ухудшающие плавность хода. Оптимальной следует считать жесткость передних рессор С?] = (2,2...2,8)-105 Н/м.
8. Увеличение жесткости шин передних колёс с 7,5-105 до 9,0-105 Н/м позволит снизить динамическую нагрузку на передний мост до 10%.
9. Изменение коэффициента демпфирования пассивной подвески в возможных пределах не оказывает существенного влияния на нагруженность колёс. Для умень-
шения динамической нагрузки на колёса автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых необходимо увеличение сопротивления амортизаторов в 2-3 раза, что требует применения систем регулирования.
Литература
1. Новиков, В В. Повышение эффективности подвески транспортного средства / В В. Новиков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. — № 9. — С. 29-32.
2. Дьяков, А.С. Оптимальное управление жесткостью и демпфированием подвески АТС на основе принципа максимума Л.С. Потрягина / А.С. Дьяков, А.В. Позде-ев, А. В. Похлевин // Вестник академии военных наук. - 2011. - № 2. - С. 132-139.
3. Поздеев, А.В. Способы повышения виброзащитных свойств пневматических упругих элементов / А.В. Поздеев // Актуальные проблемы науки в современном мире: сб. науч. тр. по матер, междунар. науч.-прак. конф., 27 сент. 2011 г.; М-во обр. и науки РФ. - Тамбов, 2011. - С. 136-138.
4. Ali O S., Мс. Kyes Е. Traction characteristics of lugs for tires ACAE Transactions.- 1998 -Vol. 21.- №2.
5. Haus Pucejka Tire and Vechicle Dy-namika. SAE Editions. Second Edition, 2012 - 642 p.
6. Christ W„ Dupuis H. Beanspruchung des Menschen durch Fahrzeugschwingungen -ATZ. - 1982. -№ 12. - S. 63-70.
7. Influence of elements dynamic cohe-siveness in power shafting on torsional vibrations spreading and dynamic equality of reducible model / V. Shehovtsov et. al. // Mechanika (Kaunas). - 2014. - Vol. 20. - № 2.
8. Носов, С.В. Моделирование системы дорога-трактор-водитель с учетом сглаживания шиной микропрофиля опорного основания / С.В. Носов, Ю.Ю. Кин-дюхин // Тракторы и сельскохозяйственные машины.-2009.-№ 10.-С. 12-15.
9. Оберемок, В.А. Влияние условий эксплуатации на функциональные характеристики элементов подвески автомобиля / В.А. Оберемок, A.M. Аванесян // Совер-
шенствование конструкции и повышение эффективности эксплуатации колёсных и гусеничных машин в АПК: между нар. сборник науч. трудов. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2014. - С. 116-124.
10. Аванесян, A.M. Исследование нагруженности колёс автомобиля при движении по стерне зерновых колосовых / A.M. Аванесян, В.А. Оберемок // Техническое и кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве: матер, междунар. научно-практ. конф. -Ч 1. - Минск: БГАТУ, 2014. -С. 129-130.
References
1. Novikov V.V. Povyshenie ehffek-tivnosti podveski transportnogo sredstva (The efficiency improvement of the vehicle suspension), Traktory i sel'skohozyajstvennye ma-shiny, 2005, No 9, pp. 29-32.
2. Dyakov A S., Pozdeev A.V., Pohle-vin A.V. Optimalnoe upravlenie zhestkostyu i dempfirovaniem podveski ATS na osnove principa maksimuma L.S. Potryagina (Optimal control of vehicle suspension stiffness and damping based on the maximum principle), Vestnik akademii voennyh паи к, 2011, No 2, pp. 132-139.
3. Pozdeev A.V. Sposoby povysheniya vibrozashchitnyh svojstv pnevmaticheskih up-rugih ehlementov (Ways to enhance the vibration isolation properties of pneumatic resilient members), Aktual'nye problemy nauki v sov-remennom mire: sb. natich. tr. po mater, mezhdunar. nauch.-prak. konf., 27 sent. 2011 g.; M-vo obr. i nauki RF, Tambov, 2011, pp. 136-138.
4. Ali OS, Mc. Kyes E. Traction characteristics of lugs for tires ACAE Transactions, 1998, Vol. 21, No 2.
5. Haus Pucejka Tire and Vechicle Dy-namika. SAE Editions. Second Edition, 2012, 642 p.
6. Christ W., Dupuis H. Beanspruchung des Menschen durch Fahrzeugschwingungen, ATZ, 1982, No 12, pp. 63-70.
7. Influence of elements dynamic cohe-siveness in power shafting on torsional vibrations spreading and dynamic equality of reduci-
ble model, V. Shehovtsov et. al. Mechcmika (Kaunas), 2014, Vol.20, No 2.
8. Nosov S.V., Kindyuhin Yu.Yu. Modelirovanie sistemy doroga-traktor-voditel s uchetom sglazhivaniya shinoj mikroprofilya opornogo osnovaniya (Simulation of road-tractor-driver system in view of support base smoothing with bus microprofile), Traklory i seVskohozyajstvennye mashiny, 2009, No 10, pp. 12-15. '
9. Oberemok V.A., Avanesyan A.M. Vliyanie uslovij ehkspluatacii na funkcional-nye harakteristiki ehlementov podveski avto-mobilya (Operating conditions influence on the functional characteristics of the car suspension), Soversherish-ovarii e konstrukcii i
povyshenie effektivnosti ehkspluatacii kolyo-snyh i gusenichnyh mash in v A PK: mezhdu-nar. sbornik nauch. trudov, Zernograd: Azovo-CHernomorskij inzhenernyj institut FGBOU VPO «Donskoj gosudarstvennyj agrarnyj universitet», 2014, pp. 116-124.
10. Avanesyan A.M., Oberemok V.A. Issledovanie nagruzhennosti kolyos avtomo-bilya pri dvizhenii po sterne zernovyh koloso-vyh (Study of car wheel loading when driving in stubble cereals), Tekhnicheskoe i kadrovoe obespechenie hmovaciomiyh tekhnologij v sel'skom hozyajslve: mater, mezhdunar. nauchno-prakt. konf\ CH 1, Minsk: BGA TU, 2014, pp. 129-130.*
Сведения об авторах Оберемок Виктор Алексеевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили», Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВТТО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: [email protected].
Пархоменко Сергей Геннадьевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили», Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: [email protected].
Аваиесян Андрей Михайлович — инженер, ассистент кафедры «Эксплуатация автомобилей и технологии транспортных процессов», Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: Avanesyan.andrej@ yandex.ru.
Меликов Иззет Мелуковнч - канд. техн. наук, доцент кафедры «Техническая эксплуатация автомобилей», ФГБОУ ВПО Дагестанский государственный аграрный университет им. Джамбулатова» (г. Махачкала, Республика Дагестан). E-mail: [email protected].
Information about authors Oberemok Victor Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Tractors and automobiles department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: [email protected].
Parkhomenko Sergey Gennadjevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Tractors and automobiles department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: [email protected].
Avanesyan Andrey Mikhajlovich - engineer, instructor of the Tractors and automobiles department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: Avanesyan.andrej@ yandex.ru.
Melikov Izzet Melukovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Tractors and automobiles department, FSBEE HPE "Dzhambulatov Dagestan State Agrarian University" (Makhachkala, Dagestan). E-mail: [email protected].
