CC BY
12
МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН
УДК 629.371.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-385-391 ВЛИЯНИЕ ТОРМОЗНОЙ СИЛЫ НА РЫЧАЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОДВЕСКИ
Р.И. Сираев, Ф.Ф. Хабибуллин, А.П. Мудров, В.Н. Крымова
Рассмотрено влияние тормозной силы на работу рычажного механизма подвески горного велосипеда при различных условиях эксплуатации, включающих в себя кочки различной интенсивности. В системе автоматизированного проектирования была воссоздана специальная динамическая модель механизма подвески, были учтены необходимые физические факторы. На основе полученных данных проведен качественный, количественный анализ, позволяющий сделать вывод о влиянии процесса торможения на общее поведение велосипеда в гоночных условиях спортивной трассы.
Ключевые слова: подвеска велосипеда, четырехрычажный механизм, тормозной момент, тормозная сила, рычажность, прогрессия.
1. Вступление. В процессе эксплуатации, рама и подвеска горного велосипеда подвергаются различным нагрузкам. Факторы, действующие на подвеску могут быть как внешними, так и внутренними. Одним из таких факторов является процесс торможения. Сила, образованная тормозным механизмом, определенным образом воздействует на подвеску велосипеда.
Для того, чтобы определить воздействие тормозной силы на подвеску необходимо было установить значение силы и смоделировать процесс торможения, анализируя показатели колебательных процессов подвески [1]. Для проведения эксперимента и анализа была спроектирована динамическая модель, которая позволяет определить влияние этой силы в идеальной системе с помощью компьютерных технологий.
2. Определение тормозной силы. При задействовании тормозного механизма элементарные силы трения, распределенные по поверхности фрикционных накладок создают результирующий момент трения, направленный в сторону против вращения колеса. Этот момент определяется как произведение результирующей силы трения с поверхности фрикционных накладок на плечо [2].
Рассмотрим влияние тормозной силы на раму велосипеда. Так как тормозной суппорт закреплен на раме, сила трения, образующаяся на колодках вызывает обратную силу, действующую на раму велосипеда. Эта сила стремится изогнуть раму. Когда рама велосипеда жесткая, этой силе сопротивляется конструкция рамы (материал).
Однако, тормозная сила может воздействовать на подвеску через рычажный механизм подвески, передавая часть своей составляющей на амортизатор, нарушая его работу в заданной настройке [3].
Максимальная сила торможения определяется по формуле (1), здесь масса велосипедиста принята 70 кг. Как правило, на заднюю ось велосипеда приходится 55% массы системы велосипедист-велосипед. Соответственно, реакция опоры, действующая на заднее колесо, составляет 440 Н. При коэффициенте сцепления, равном, значение критической тормозной силы составит 308 Н.
385
Pr max =?Л = 308 N, (1)
Для создания подобной силы в точке контакта тормозной механизм должен создать соответствующий момент. Из-за разности радиусов колеса R и тормозного диска r, сила, создаваемая тормозным механизмом больше в R/r раз, чем тормозная сила в пятне контакта. Соответственно, на раму велосипеда (подвеску), по третьему закону Ньютона, действует сила P'fr.
С учетом трения колодки о диск, значение данной силы может достигать 2000, 3000 Ньютон. Данное исследование рассматривает усредненное значение - 1500 Н.
3. Динамическая система испытания. Эксперимент проводится с применением динамической системы, в которой сравниваются результаты колебаний масс при разных условиях эксплуатации, при наличии и отсутствии тормозной силы (рис.1).
Рис. 1. Модель подвески велосипеда с опорной поверхностью
Для исследования были построены динамические модели, включающие в себя реалистичную четырехрычажную подвеску и опорную поверхность. Опорная поверхность реализована в виде вращающегося ротора с кочками для получения данных об продолжительном процессе колебаний подвески (рис.2). Также был рассмотрен единичный процесс раскачивания подвески с целью получения точных данных.
Рис. 2. Модель подвески велосипеда с опорной поверхностью, выполненной
в виде ротора с кочкой в профиле
4. Динамическая задача. В динамической системе для моделирования процесса использована сила тяжести и тормозная сила, а между колесом и ротором симулируется контакт. Тормозная сила приложена в месте расположения суппорта. Четырехры-чажный механизм подвески воссоздан с помощью моделей звеньев и шарнирных соединений [4]. В точке крепления переднего колеса А модель велосипеда прикреплена к опоре неподвижным шарниром. Задний треугольник DHG присоединяется к раме шар-нирно с помощью коротких звеньев FG и EDC. Амортизатор ВС прикреплен к одному из коротких звеньев EDC. Заднее колесо крепится к заднему треугольнику в точке Н. Ротор вращается с определенной заданной скоростью и закреплен к опоре в точке J, а с колесом велосипеда поверхность ротора составляет контактную пару (рис. 3).
и четырехрычажный механизм подвески
Для получения результатов о процессе амортизации необходимо было рассмотреть ряд экспериментов, моделирующих процесс торможения (табл. 1). Для этого ротор, вращающийся с определенной скоростью, вместе с появлением тормозной силы, замедлялся до определенного значения.
В качестве показателей колебательного процесса были рассмотрены [5]:
1. Колебания подрессоренной, неподрессоренной массы;
2. Перемещения амортизатора (ход);
3. Реакция опоры;
4. Скорость колебаний неподрессоренной массы.
Таблица 1
Исходные параметры продолжительных испытаний_
№ Исп. Начальная скорость вращения ротора, об/мин Конечная скорость вращения ротора, об/мин
1 120 90
2 120 60
3 120 0
4 90 60
5 90 30
6 90 0
7 60 30
8 60 0
9 30 0
При рассмотрении единичного колебания рассмотрены перемещения подрессоренной массы, неподрессоренной и перемещение амортизатора. Движение опорной поверхности осуществляется по определенной характеристике, повторяя геометрию кочки (табл. 2).
Таблица 2
Исходные параметры единичных колебаний_
№ Исп. Размер кочки, мм Тормозная сила, Н
1 10 0
2 10 1500
3 25 0
4 25 1500
5 70 0
6 70 1500
5. Результаты. Исследуя графики, характеризующие длительную работу подвески, можно заметить, что при торможении смещается нулевая линия колебаний подвески (рис. 4). Это сопровождается тем, что амортизатор быстрее разжимается до критических значений. В ряде экспериментов это приводит к строгому нарушению работы амортизатора. При высоких скоростях данный скачок происходит быстрее, с сохранением изначальной амплитуды.
ооо обо 1 го 1 so 2.40 з.оо з.ео чч jso S40 goo
(sec)
t3
0.00 060 1-го 1 80 2-40 300 3.60 410 4.S0 540 6.00
(sec)
Puc. 4. Линейное перемещение подрессоренной массы системы велосипед-велосипедист
Также, чем больше скорость, тем сильнее скачок, а значит, сильнее отклонение в сторону критически низкого хода подвески. Значения виброскорости колебаний не-подрессоренной массы, сила реакции контакта изменяются незначительно, не нарушая общей закономерности, не превышая предельных значений [6].
Рассматривая графики единичного удара, можно сделать аналогичный вывод об отклонении равновесного состояния велосипеда на определенное значение. Это также сопровождается замедлением перемещения амортизатора.
6. Обсуждение. Самая используемая подвеска является прогрессивной, с изменяющейся жесткостью системы в зависимости от глубины хода. В таком случае отклонения, вызванные наличием тормозной силы могут серьезно нарушить поведение амортизатора, изменяя область его работы (Axi) на ту, на которой он не рассчитан работать
при данной нагрузке (Дх2,3) (рис. 5). Таким образом, тормозная сила, добавляющаяся к основной нагрузке, негативно влияет на колебания системы и на производительность работы подвески.
График прогрессии
Рис. 5. График прогрессии подвески велосипеда. При определенном диапазоне действующих сил и примененной тормозной силе подвеска работает в нежелательном диапазоне Ах2,з, являясь чрезмерно жесткой/мягкой для прикладываемых нагрузок
Серьезным замечанием к вышеупомянутым словам является то, что тормозная сила также нарушает характеристику работы демпфера, изменяя ускорение системы, а, следовательно, и скорости поршня. Это также негативно влияет на колебания подвески велосипеда (рис. 6).
Характеристика гасящего элемента
Сила, Н
Рис. 6. Характеристика гасящего элемента. Приведены отклонения Ьх2,з характеристики демпфера при наличии тормозной силы
7. Выводы. Исследуя динамическую систему с установленной и примененной тормозной силой было установлено её негативное воздействие на рычажный механизм подвески. Под действием этой силы нарушается заданная настройка амортизатора, и, как следствие, качество работы подвески.
На примере полученных чисел и графиков была доказана применимость динамической системы для последующих исследований поведения конструкции велосипеда в различных ситуациях: торможение, ускорение, подпрыгивание, поворот.
Список литературы
1. Road Vehicle Suspension System Design—A review // Sharp R.S., Crolla D.A. // Vehicle System Dynamics, 16, 1987. P. 167-192.
2. Vehicle Suspension System Technology and Design / Amir Khajepour and Avesta Goodarzi, edited by Amir Khajepour // Morgan & Claypool publishers, Waterloo. 2017. P. 13.
3. Morsb0l G., Svendsen W., Damgaard B.F., Bloch N.C., Nielsen R.B., Kann J. Dimensioning the Rear Suspension of a Mountain Bike // Bachelor project, Aalborg University, Aalborg, 2009. P. 14-16.
4. The ultimate guide to mountain bike rear suspension systems [Электронный ресурс] URL: https://www.bikeradar.com/features/the-ultimate-guide-to-mountain-bike-rear-suspension-systems/ (дата обращения: 03.09.2021).
5. How your bike's suspension design affects its performance on the trail [Электронный ресурс] URL: https://enduro-mtb.com/en/mtb-suspension-systems (дата обраще-нияЛ 06.09.2021).
6. Virtual Pivot Point (VPP) Suspension Design - Santa Cruz [Электронный ресурс] URL: https://www.santacruzbicycles.com/en-AU/virtual-pivot-point-vpp-suspension-design (дата обращения: 06.09.2021).
Сираев Роберт Игоревич, студент, savorr9@gmail.com, Россия, Казань, Казанский Национальный Технический Исследовательский Университет - Казанский Авиационный Институт им А.Н. Туполева,
Хабибуллин Фаниль Фаргатович, канд. техн. наук, доцент, _fanil_arsk@mail.ru, Россия, Казань, Казанский Национальный Технический Исследовательский Университет - Казанский Авиационный Институт им А.Н. Туполева,
Мудров Александр Петрович, канд. техн. наук, доцент, mudrov.aleks@yandex.ru, Россия, Казань, Казанский Национальный Технический Исследовательский Университет - Казанский Авиационный Институт им А.Н. Туполева,
Крымова Виктория Николаевна, студент, vikulka_18_01@,mail. ru, Россия, Казань, Казанский Национальный Технический Исследовательский Университет -Казанский Авиационный Институт им А.Н. Туполева
BRAKING FORCE INFLUENCE ON MOUNTAIN BIKE SUSPENSION
R.I. Siraev, A.P. Mudrov, F.F. Khabibullin, V.N. Krymova
The article is devoted to the analysis of braking force influence on mountain bike suspension by creating (arranging) dynamic experiment simulation. . Bike suspension was tested under different braking modes, measuring sprang and unsprang mass hesitation parameters and ground reaction force, which are sought for suspension specification. The obtained results and data in the form of graphs may become an incentive for developing, analysing and maintaining the transport in the field of mountain bike engineering.
Key words: bike suspension, lever mechanism, braking momentum, brake force, leverage, progressivity.
Siraev Robert Igorevich, student, savorr9@gmail.com, Russia, Kazan, Kazan National Research University- Kazan Aviation Institute named after A.N. Tupolev (KNRTU-KAI),
Khabibullin Fanil Fargatovich, candidate of technical sciences, docent, fan-il_arsk@,mail.ru, Russia, Kazan, Kazan National Research University- Kazan Aviation Institute named after A.N. Tupolev (KNRTU-KAI),
Mudrov Alexandr Petrovich, candidate of technical sciences, docent, mudrov.aleks@yandex.ru, Russia, Kazan, Kazan National Research University- Kazan Aviation Institute named after A.N. Tupolev (KNRTU-KAI),
Krymova Victoria Nikolaevna, student, vikulka_18_01@,mail.ru, Russian Federation, Kazan, Kazan National Research University- Kazan Aviation Institute named after A.N. Tupo-lev (KNRTU-KAI)
УДК 658.345 + 06
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-391-397
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСОЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОВ ШУМА ЗУБОФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ
О.Г. Харламов
В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований шума зубофрезерных станков проведенные в условиях их промышленной эксплуатации на холостом ходу и при различных технологических нагрузках.
Ключевые слова: уровни шума, фрезерование, зубофрезерные станки, экспериментальные исследования, виброакустические характеристики.
Экспериментальные исследования виброакустических характеристик проводились при различных условиях промышленной эксплуатации, для различных компоновок станков [1,2]. Измерения проводились как для вертикальных зубофрезерных станков моделей 5310 (рис. 1), 5303ПВ, 5304В и 53А10, производящих нарезание зубчатых колес обкаткой червячной фрезы и обработку заготовки методами попутного или встречного фрезерования, так и для горизонтальных зубофрезерных станков моделей 5В370, 5А370, 5Г370, 5В373, 5С373, 5В375 (рис. 2) предназначающихся для нарезания изделий малого размера и имеющих специальный подвижной стол, который используется для поддержки изделия и перемещается по горизонтали [3-5].
Объект и методы исследования. Рассматриваемая гамма станков характеризуется существенными различиями не только геометрических размеров обрабатываемых изделий, но мощностью приводов главного движения и частотами вращения режущего инструмента (40.. .4000 об/мин).
В первой серии экспериментов исследовались уровни шума зубофрезерных станков на холостом ходу, когда анализировался процесс шумообразования колебательной системой самого станка при воздействии вибраций на элементы станка от кинематики соответствующих приводов формообразующих движений.
391
