Разработка пространственных динамических моделей колесных машин для анализа проходимости при движении по неровным грунтовым поверхностям
На правах рукописи
ЧИЧЕКИН ИЛЬЯ ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ МАШИН ДЛЯ АНАЛИЗА ПРОХОДИМОСТИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО НЕРОВНЫМ ГРУНТОВЫМ ПОВЕРХНОСТЯМ Специальности:
01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 05.05.03 – Колесные и гусеничные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2010
Работа выполнена на кафедре автомобилей и двигателей Государствен ного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет (ГОУ МГИУ) НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор Агейкин Яков Семенович НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ доктор технических наук, профессор Вольская Наталья Станиславовна ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ доктор технических наук, профессор Карцов Сергей Константинович доктор технических наук, профессор Наумов Валерий Николаевич ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ АМО ЗИЛ
Защита диссертации состоится «16» июня 2010 г. в на заседании диссертационного совета Д.212.129.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Мо сковский государственный индустриальный университет (ГОУ МГИУ) по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ГОУ МГИУ, ауд. 1605.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГИУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью орга низации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.
Автореферат разослан « 15 » мая 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Ю.С. Иванов к.т.н., доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Современные автомобили проектируются с помощью компьютерных систем автоматизированного проектирования. Важнейшим элементом этого процесса является разработка программных средств анали за нагружения элементов конструкции колесных машин (КМ) связанных с динамикой. Таким образом в основе реализации всех этапов компьютерного проектирования лежит разработка динамических моделей, задача которых отражать реальные процессы, протекающие в этих элементах конструкции.
Анализ большого числа исследований показывает, что в области проектиро вания, изучения процессов движения и взаимодействия механической сис темы – «колесная машина – дорожно-грунтовые условия» уже существует много моделей и подробно разработаны аналитические методы оценки их эффективности и применимости для частных случаев движения: движения по неровным, твердым поверхностям. Если эту задачу расширить и рассмат ривать в реальной полной постановке, необходимо дополнительно провести моделирование деформируемости грунта с учетом нелинейности его харак теристик. Поставленная задача разработки пространственной динамической модели движения колесной машины существенно усложняется и требует серьезных исследований. Также необходимо отметить, что современное про изводство требует сокращения сроков проектирования и доводки новой тех ники, исключает высокие затраты на проведение экспериментальных иссле дований. Таким образом, роль расчетных методов, связанных с моделирова нием реальных процессов взаимодействия, в данном случае с учетом взаимо влияния двух систем «колесная машина – деформируемый грунт», обла дающих существенно нелинейными характеристиками, является определяю щей при подготовке производства современных образцов внедорожных ко лесных машин. Разработка таких методов может оказать большое влияние на выбор основных параметров конструкции и обеспечить высокую эффектив ность применения транспортных средств высокой проходимости в целом.
В то же время практика показывает, что за счет динамического нагру жения от неровности дороги и изменяющихся во времени деформативных свойств грунта, дополнительные нагрузки могут превышать статические бо лее чем на 100%. Методик, алгоритмов и программного обеспечения, позво ляющих проводить анализ в условиях динамического нагружения системы «колесная машина – деформируемый неровный грунт» не существует.
Таким образом рассматриваемая задача создания, выбора и исследова ния расчетных динамических схем, позволяющих моделировать реальные условия нагружения деталей и узлов подрессоренных и неподрессоренных масс колесных полноприводных машин с учетом условий движения по не ровным деформируемым поверхностям актуальна.
Цель работы: разработка пространственных динамических моделей колёсных машин в условиях движения по неровной деформируемой поверх ности, задаваемой физико-механическими нелинейными характеристиками.
Методы исследования. Механика грунтов, теория автомобиля, теория колебаний, аналитическая механика, теория вероятностей, математический анализ, теория случайных процессов, статистическая динамика, инженерный эксперимент, компьютерное моделирование.
Объект исследований – двухосные колесные машины и их динамиче ские модели для анализа движения по неровным деформируемым грунтам.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика определения показателей проходимости на осно ве расчётных динамических моделей колёсных машин с учетом до рожно-грунтовых условий района эксплуатации.
2. Разработана математическая модель движения по неровным деформи руемым поверхностям для полноприводной двухосной колёсной ма шины (в виде пространственной системы).
3. Установлена взаимосвязь неровности и физико-механических инвари ант грунта, по которому движется КМ, с выбором её развесовки, пара метров и характеристик колёсного движителя и подвески.
Практическая ценность. Разработана методика выбора динамической модели двухосной колёсной машины. Она предназначена для решения задач, связанных с оптимизацией основных параметров колёсного движителя и подвески автомобиля на стадии проектирования. Методика включает ряд ма тематических моделей и алгоритмов, реализованных в виде прикладного программного обеспечения;
позволяет расчётным путём определять динами ческие нагрузки по осям автомобиля, взаимные деформации шины и грунта, динамические хода подвески. Эта методика может быть использована авто мобильными предприятиями и научно-исследовательскими институтами, за нимающимися задачами проектирования и доводки существующих образцов полноприводных колёсных машин.
Выполнены расчёты, позволяющие оценить и подтвердить оптималь ность выбора параметров колёсного движителя и подвески полноприводного двухосного автомобиля, движущегося в заданных дорожно-грунтовых усло виях.
Реализация работы. Разработанные динамические модели, программ ный комплекс и результаты расчетов использованы на разных этапах проек тирования и доводки конструкций подвесок и колесного движителя ориги нальных и специальных автомобилей семейства АМО ЗИЛ. Методические разработки использованы в учебном процессе кафедры автомобилей и двига телей ГОУ МГИУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Пространственные динамические модели полноприводных колёсных машин, движущихся по неровному деформируемому грунту.
2. Методика выбора расчетной динамической модели полноприводной колёсной машины, структура которой определяется дорожно грунтовыми условиями предполагаемого района эксплуатации.
3. Методика расчёта основных показателей проходимости и плавности хода КМ с учётом динамических нагрузок и деформации грунта.
4. Методика оценки влияния числа циклов нагружения: на микропрофиль опорной поверхности при проходах колёс;
на физико-механические свойства грунта.
Апробация работы. Основные результаты и основные положения по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры автомобилей и двигателей ГОУ МГИУ;
на Международных научно практических конференциях «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (IV, VIII), ЮНЕСКО. – М.: МГИУ, 2003, 2009;
Международном симпозиуме посвящен ному 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана «Проектирование колесных ма шин», – М., 2005;
64 Научно-методической и научно-исследовательской конференции. – М.: МАДИ (ГТУ), 2006;
Конференциях "Проектирование ко лесных машин и двигателей внутреннего сгорания" – М.: МГИУ, 2009, 2010;
конференции в МГТУ им. Н.Э. Баумана "Проектирование колесных машин", – М., 2009;
Конференции " Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий" – М.: МГИУ, 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ и получено 2 акта о внедрении результатов научно-исследовательской работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа содержит страниц печатного текста, 38 таблиц, 91 рисунков, список литературы содержит 120 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, изложены основные положения выносимые на за щиту.
В первой главе диссертации выполнен анализ работ посвященных:
теоретическим и экспериментальным исследованиям плавности хода автомо биля, проблемам моделирования динамического нагружения его узлов и аг регатов [1, 2, 4].
Исследованию и разработке динамических моделей, а также оценке динамических нагрузок, связанных с колебаниями КМ, посвящены работы отечественных ученых: Авдеева Н.Ф., Бахмутова С.В., Беленького Ю.Ю., Бо чарова Н.Ф., Глазова Г.И., Горелика Я.М., Гридасова Г.Г., Горобцова А.С., Гришкевича А.И., Дербаремдикера А.Д., Жигарева В.П., Карцова С.К., Мир зоева Г.К., Пархиловского И.Г., Певзнера Я.М., Прутчикова О.К., Ротенберга Р.В., Силаева А.А., Успенского И.Н., Фурунжиева Р.И., Чудакова Е.А., Хача турова А.А., Яценко Н.Н. и многих других.
Так как исследования проводятся в области прогнозирования эксплуа тационного свойства колесных машин – проходимости, возникает необходи мость в проведении дополнительного анализа состояния исследований по во просу выбора расчетных алгоритмов, моделей взаимодействия пневматиче ское колесо - грунт. Главной целью этих работ является повышение прохо димости колесных машин.
Решению этой проблемы за более чем столетнюю историю существо вания автомобиля посвящены работы многих ученых СССР и России: Агей кина Я.С., Аксенова П.В., Антонова А.С., Бабкова В.Ф., Барахтанова Л.В., Белоусова Б.Н., Белякова В.В., Бирули А.К., Бочарова Н.Ф., Бриллинга Н.Р., Вирабова Р.В., Вольской Н.С., Высоцкого М.С., Горячкина В.П., Гуськова В.В., Зимелева Г.В., Ишлинского А.Ю., Кацыгина В.В., Колесникова К.С., Котиева Г.О., Кошарного Н.Ф., Крагельского И.В., Крживицкого А.А., Кри сти М.К., Ксеневича И.П., Кутькова Г.М., Ларина В.В., Летошнева М.Н., Ляско М.И., Малыгина В.А., Наумова В.Н., Пирковского Ю.В., Платонова В.Ф., Полетаева А.Ф., Полунгяна А.А., Рукавишникова С.В., Саакяна С.С., Скотникова В.А., Смирнова Г.А., Софияна А.П., Степанова А.П., Троицкой М.Н., Фаробина Я.Е., Фалькевича Б.С., Фуфаева Н.А., Чистова М.П., Чудако ва Е.А., Шухмана С.Б., Ястребова Г.Ю. и многих других.
Среди зарубежных ученых наиболее известны работы: М.Г. Беккера, Дж. Вонга, А.Рииса, А.Солтынского, Р.Янга.
По результатам проведенного анализа для решения задач, поставлен ных перед исследованием выбираются следующие основные положения:
1. Деформативные свойства мягких грунтов оцениваются с помощью метода разработанного проф. Я.С. Агейкиным. Вертикальные и сдвиговые деформации грунта определяются его физико-механическим состоянием и зависят от типа, влажности – W и плотности C. В зависимости от физиче ского состояния грунта рассчитываются: модуль деформации - E, угол внут реннего трения - 0, внутренне сцепление в грунте - c0 ;
задается толщина мягкого слоя - H Г.
2. Для проведения анализа взаимодействия шины с грунтом принима ется математическая модель грунта как упруго-вязкопластичного или вязко пластичного тела (схемы Шведова и Бингама).
3. Рассматриваются следующие свойства КМ, определяющие его про ходимость: опорно-временные и тягово-сцепные.
4. Колесная машина рассматривается как динамическая модель, со стоящая из колеблющихся подрессоренных – М и неподрессоренных – m масс, связанных упругими с Р и сШ и демпфирующими k А и k Ш элементами.
5. Статистический микропрофиль дороги – оценивается спектральной плотностью Sq ( ). Это случайная функция, удовлетворяющая следующим допущениям: стационарна и эргодична;
ординаты микропрофиля q подчи няются нормальному закону распределения;
длины неровностей ограничены по верхнему и нижнему пределам;
микропрофиль меняется случайным обра зом только в вертикальной продольной и поперечной плоскостях дороги. За дается зависимостью: S q ( ) A b (1), где Aи b - коэффициенты спек тральной плотности, определяющие тип микропрофиля, - путевая частота, рад / м.
6. Предлагается, при выборе принципиальных конструкторских реше ний концепции подвески, критерии плавность хода оценивать по эквивалент ным среднеквадратическим виброускорениям в точках кузова над осями ко лес.
Задачи, которые необходимо решить при проведении исследова ний:
1. Разработать варианты динамических моделей двухосных колесных машин, отличающиеся от известных возможностью моделирования не ровности деформируемого грунта при взаимодействии шины и опорно го основания.
2. Провести анализ взаимовлияния колебаний подрессоренной и непод рессоренной масс колесных машин и деформаций неровного деформи руемого грунта.
3. Разработать расчетный метод определения показателей взаимодействия колеса и деформируемого грунта с учетом динамического нагружения, релаксационных свойств грунта, цикличности нагружения.
4. Реализовать разработанные математические модели динамических сис тем в виде пакета прикладных программ для ЭВМ, оценить адекват ность основной пространственной модели.
5. Провести аналитические и экспериментальные исследования, опреде лить области применения разработанных динамических моделей в рас четах по оценке проходимости колесных машин в конкретных дорож но-грунтовых условиях.
6. С помощью разработанной пространственной динамической модели двухосной полноприводной колесной машины оценить оптимальность выбранных конструкторских параметров, определяющих динамические хода подвески и размеры шины автомобилей ЗИЛ 432720.
Во второй главе разработаны структурные схемы пяти динамических моделей колебательных систем двухосных колесных машин (рис. 1), пере мещающихся по неровному деформируемому грунту [4, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]. В отличие от широко известных моделей (рис. 1, б, в, г, д) в них уч тены релаксационные процессы, протекающие в грунтах по моделям Шведо ва и Бингама (рис. 2). Наиболее полно реальность динамической системы ко лебаний колесной машины представлена в пространственной схеме на рис. 1, а. Модель имеет восемь степеней свободы. Для каждой динамической модели составлены системы связанных дифференциальных уравнений, решение сис тем нелинейных уравнений проводится с помощью преобразований Лаплас са. В общем виде уравнение колебаний для пространственной схемы можно представить в виде (2):
Схема а) б) Схема 1 г) Схема в) Схема 2 д) Схема Рис. 1. Варианты динамических моделей (схемы 1 - 5) zС p p p 1 q1,1 p q1,2 p 2 p B(p) A p, (2) q2,1 p 1,1 p q q2,2 p 1,2 p 2,1 p 2,2 p где: A p – матрица параметров автомобиля;
B p – матрица возмущений;
zC – вертикальные перемещение подрессоренной массы;
– угол наклона (дифферента) подрессоренной части автомобиля в продольной плоскости;
и 2 – угол наклона (крена) подрессоренной части автомобиля в поперечной плоскости, находящейся над передней и задней осью соответственно;
i, j – перемещение неподрессоренных масс, ;
q 0 – половина высоты неровности;
qi, j – перемещение, относительно микропрофиля контактной поверхности ко леса i-той оси, j-того борта.
Разработанные модели позволяют:
1) определять влияние на показатели проходимости колесной машины соот ношения масс подрессоренных и неподрессоренных частей ( M и m );
жест кости подвески, шины и коэффициента сопротивления амортизатора ( cР, cШ, k A );
типа подвески и направляющего устройства;
типа и размеров шин;
давления воздуха в шинах ( pW );
размеров - базы, шинной и рессорной колеи;
2) рассчитывать количественные значения параметров проходимости КМ:
дополнительных динамических нагрузок, от колебаний КМ, действующих через шины на грунт ( P );
глубины колеи и деформации шин ( z и h );
уп лотнение грунта, после прохода каждого колеса ( C i );
коэффициенты сопро тивления качению от деформации грунта и шины ( f );
коэффициент свобод ной силы тяги ( Т );
вероятность отрыва колес от грунта;
вероятность заде вания корпуса (моста) за грунт и т.д.;
3) рассчитывать количественные значения критериев плавности хода и проч ности элементов КМ: среднеквадратические виброускорения и перемещения любой точки кузова ( Ai, j и z Ai, j );
степени изменения микропрофиля после z прохода колес первой оси ( S q 2, j );
поперечно и продольно-угловые уско рения (, 1 и 2 );
деформации упругих элементов и вероятности пробоя подвески ( f P );
динамические нагрузки на несущую систему ( PДИН );
пере крещивание передней и задней осей;
угол закручивания рамы и перекос лон жеронов ( Рм и Л ).
Рис. 2. Динамическая модель взаимодействия колеса с деформируемым неровным грунтом Следующим шагом в разработке динамической модели колесной двух осной машины является анализ эффективности рассматриваемой схемы и выбор области ее применения в исследованиях по оценке взаимодействия шина-грунт. На рис. 3-9 представлены примеры результатов расчетов для всех пяти моделей, проведена оценка: 1) влияния скорости колесной машины на величину дополнительных динамических нагрузок при движении по не ровному ( A 10 3 ) деформируемому грунту различной влажности, рис. 3. В одном и том же интервале изменяемых скоростей движения 10…50 км/ч для левого и правого колес автомобиля min и max дополнительные динамические нагрузки отличаются в 4,5 раза для моделей 2 и 5. При этом для 2 модели P увеличивается на 25 % и 100 % при влажностях грунта W=70 % и W=90 %, разность максимальных значений P при Va 50 км / ч для одной и той же схемы 5 около 13 %;
2) на рис. 4 приведено влияние задаваемой неровности Рис. 3. Влияние скорости колесной машины на величину дополнительных динамических нагрузок при движении по неровному деформируемому грун ту различной влажности (A=10-3;
1…5 – номера динамических моделей) Рис. 4. Влияние степени ровности грунта на величину дополнительных динамических нагрузок Рис. 5. Влияние влажности грунта на колееобразование при движении по деформируемой поверхности (А=10-3) Рис. 7. Характеристики плавности Рис. 6. Зависимость глубины колеи хода на недеформируемой от скорости КМ при движении по поверхности ровному и неровному грунтам Рис. 8. Характеристики плавности Рис. 9. Зависимость глубины колеи от хода на твердой и деформируемой влажности грунта для поверхностях (пространственная динамических моделей динамическая модель - 5) грунта A 10 3 или A 10 4 на величину дополнительных динамических на грузок в том же интервале изменения скоростей движения колесной машины.
В зависимости от выбора динамической схемы (рис. 4) расчетные значения дополнительных динамических нагрузок для простой 2 и сложной простран ственной модели 5 могут отличаться в 9 раз при относительном росте на % и 100 % в рассматриваемом диапазоне скоростей движения по грунту с разной степенью неровности;
3) с помощью рис. 5 можно оценить как выбор типа динамической модели влияет на результаты расчетов по оценке глуби ны колеи z, определяющей сопротивление качению в заданных дорожно грунтовых условиях с учетом изменения физико-механических характери стик грунта, зависящих от влажности. При влажности грунта W=70 % при менение того или иного типа динамических моделей, оценивающих влияние колебательных процессов, приводит к противоречивым результатам: для мо дели 2 глубина колеи с ростом скорости движения убывает вплоть до нулево го значения. Для модели 5 при малых скоростях движения глубина колеи z 15см и она незначительно уменьшается с увеличением скорости (на 10%);
4) на рис. 6 представлены графики зависимости глубины колеи z для переднего левого колеса от скорости движения КМ построенные для тех же дорожно-грунтовых условий, на ровной и неровной грунтовой поверхностях.
Наибольшие значения z наблюдаются на переувлажненном грунте W = 90% при минимальной скорости движения ( z 0, 32м ). На ровном грунте, при движении без учета колебаний, глубина колеи меньше, чем при учете дина мических нагрузок (в среднем z 0, 2м );
5) на рис. 7 приведены характери стики плавности хода КМ при движении на неровной твердой поверхности;
6) на рис. 8 показаны характеристики плавности хода для твердой и грунто вой поверхностей с различной влажностью для пятого варианта динамиче ской модели. По этим характеристикам определяются максимальные допус тимые скорости, ограничиваемые плавностью хода. Допустимые среднеквад ратические значения виброускорения при кратковременном движении 4 м с2, тогда допустимые скорости движения для неровностей A 10 3 на твердой поверхности 8 км ч (рис. 8), на мягких грунтах 10 22 км ч по схеме 1, 17 19 км ч по схеме 4 и 16 18 км ч по схеме 5 (рис. 8);
7) для оценки проходимости, ограниченной дорожным просветом (задевание кор пуса о грунт), на рис. 9 приведены зависимости глубины колеи z от влажно сти грунта, они рассчитаны для четырех моделей. Расчеты показывают, что движение возможно при влажности грунта не превышающей W=85 %, т.к.
дорожный просвет – 0,3 м. Если вести расчеты по моделям 1…4 КМ движет ся без задевания корпусом грунта во всем диапазоне рассматриваемых до рожно-грунтовых условий. Если считать по модели 5, то при граничных зна чениях W=90 % возможен контакт корпуса КМ и грунта.
Анализ результатов расчетов показывает, что наиболее существенное влияние на величину динамических нагрузок оказывают колебания непод рессоренных масс.
Установлено, что:
при определении параметров взаимодействия колес с неровным дефор мируемым грунтом необходимо учитывать дополнительные динамические нагрузки P;
поперечно угловые колебания оказывают большое влияние на значения P и необходимо их учитывать, особенно при движении автомобиля по пере увлажненным грунтам;
при движении по поверхности с неровностями больше А=10-3 в расче тах необходимо учитывать поперечно-угловые и продольно-угловые колеба ния (схемы 3 и 5);
наибольшее влияние (более 50 %) на динамические нагрузки от колес на грунт и глубину колеи оказывает масса неподрессоренных частей.
В третьей главе представлена методика расчета характеристик плав ности хода и показателей проходимости КМ [4, 9, 10, 11, 15]. Использована динамическая модель взаимодействия колесного движителя с неровной де формируемой поверхностью.
Для определения z - глубины колеи и h - деформации шины решается следующая система уравнений:
p0 pW B 3 H h qш qш h 1 ;
q Д ;
(3) 2b H 2 B B Va l 2n Ez ;
qД H Г z 2 I E z arctg b bk HГ z 0,5 a b bk arctg 0,5 a b bk I 1 X 1 k 1 b I 2 X 2 k 2 с 0 X 3 z PZ 0,25 q ш 1 0,5 2 b D h h 2 bk Dh z h z, где qш давление в пятне контакта, выраженное через деформацию шины, МПа ;
D диаметр колеса, м;
B и H - ширина и высота профиля шины, м;
p0 - давле ние на грунт от жесткости каркаса шины, МПа ;
pW - внутреннее давление воздуха в шине, МПа ;
PZ - нормальная нагрузка на колесо, H ;
bk - ширина колеи, м;
I, I 1, I 2 - коэффициенты, учитывающие влияние формы и размеров поверхности контакта на деформацию грунта;
Va - скорость движения КМ, м/с.
Определив глубину колеи и деформацию шины для колес передней оси КМ, для задней оси, при условии постоянства колеи, определяются те же параметры задачи о взаимных деформациях шина – грунт, но при этом физико-механические характеристики грунта пересчитываются согласно n f n;
q д ;
т ;
номеру оси (или прохода) по зависимостям E, 0, c0 f n ;
Wт ;
W.
После определения h и z для каждого колеса двухосной машины оп ределяются: коэффициент сопротивления качению шины, f Ш ;
коэффици ент сопротивления качению грунта, f Г ;
суммарный коэффициент сопро тивления качению, f ;
коэффициент буксования, S б ;
свободная удельная сила тяги на крюке, Т.
По вышеупомянутой методике проведены расчёты и определены вза имные деформации шины и грунта с учётом дополнительной динамической нагрузки. В основу определения дополнительной динамической нагрузки PC положена зависимость:
P M m (4), где и – среднеквадратические виброу z z C C C C C скорения подрессоренной M и неподрессоренной m масс каждого из колёс КМ.
При определении C и C учитываются демпфирующие и жесткостные z свойства грунта (рис. 2). Проведённые расчёты по определению опорно тяговых характеристик единичного колеса, колёс передней, задней осей двухосной КМ (плоская схема), движущихся по суглинку различной ровно сти и физико-механического состояния, показали существенное влияние па раметров колебаний КМ на получаемые результаты.
В четвертой главе проведены экспериментальные исследования плав ности хода и проходимости автомобиля при движении по неровным дефор мируемым поверхностям [3, 7].
Для оценки адекватности разработанной математической модели дви жения КМ и подтверждения метода оценки демпфирующих свойств грунта были проведены серии экспериментов в грунтовом канале (рис. 10, а) и на автомобиле (рис. 10, б) в естественных дорожно-грунтовых условиях.
При проведении экспериментальных исследований были решены сле дующие задачи:
оценка влияния параметров грунта на его гасящие свойства в колеба тельной системе «колесо-грунт»;
оценка изменения микропрофиля деформируемого грунта после прохо дов колес;
определение относительных виброускорений точек кузова над осями движущихся колес автомобиля.
а) б) Рис. 10. Экспериментальные исследования При проведении экспериментов:
1. Определялась плотность, влажность и неровность грунта.
2. Во время движения с использованием датчиков ускорений на ком пьютере записывались ускорения подрессоренной и неподрессорен ной масс на осях КМ.
3. После прохода колес измерялись: глубина колеи, измененные не ровности, плотность и влажность грунта в колее и боковых стенках.
После обработки зафиксированных параметров были построены ос циллограммы вертикальных виброускорений. Получены графики относи тельных виброускорений точек кузова, при движении экспериментального автомобиля по неровной недеформируемой поверхности. При обработке ре зультатов эксперимента получено математическое ожидание значений виб роускорений для точек кузова над осями колес. Отклонение от ожидаемого значения ускорения +1g не превысило 12%. Так же, были определены сред неквадратические значения виброускорений. Рассматривался нормальный за кон распределения и использовалось правило 3. Выявлено, что максималь ные и минимальные значения виброускорений лежат в диапазоне: ( C 3 ) – ( z C 3 ).
z Расчетные и экспериментальные значения среднеквадратических виб роускорений представлены в таблице 1таблица 1. Осредненные значения по трем заездам отличаются от расчетных не более чем на 6%. Таким образом, зафиксированная разница расчетных и экспериментальных значений верти кальных виброускорений рассматриваемых точек кузова подтверждает адек ватность разработанной динамической модели и ее математического аналога (пространственной динамической модели).
Таблица 1.
Результаты расчета среднеквадратических значений виброускорений для точек кузова над осями колес Передняя ось Задняя ось Левое Правое Левое Правое Расчетные значения, м/с 1,949 1,333 1,435 1, Эксперимент, средние значения, м/с 2,07 1,42 1,36 1, Расхождение, % 5,9 % 5,7% 5,9% 3,5% Экспериментальные значения высот неровностей после прохода колеса представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Результаты экспериментальных исследований по оценке изменения высот неровностей, при последовательных проходах кг Номер неровности (грунт – песок, W=4%, 1650 3 ) м qi, см 1 2 3 4 5 исходное 9,0 11,5 12,5 14,0 9,5 5, 1 проход 8,0 7,6 6,6 8,0 4,0 3, 2 проход 7,4 6,7 5,7 7,0 3,0 3, 3 проход 6,5 6,0 5,5 6,9 3,4 2, Экспериментальные значения среднеквадратических виброускорений, замеренные для элементов тележки с активным колесом в грунтовом канале, представлены в таблица 3. Установлено, что при движении по деформируе мому грунту, вертикальные виброускорения подрессоренной массы в сред нем на 60 % меньше, чем при движении по твердой поверхности, что объяс няется влиянием гасящих свойств грунта.
Таблица 3.
Результаты обработки экспериментальных данных Ускорения, м/с2 ( грунт: песок, W=4%, 1650 кг ) м Сухой песок Твердая поверхность № про- Подрессоренная Неподрессоренная ПодрессореннаяНеподрессоренная Значения хода масса масса масса масса 1 среднее 8,68 25,74 14,35 33, 2 среднее 9,14 26,86 14,35 33, 3 среднее 9,35 27,18 14,35 33, В пятой главе рассмотрена возможность использования результатов данного исследования для оценки оптимальности выбранных параметров конкретной двухосной КМ в задаваемых дорожно-грунтовых условиях экс плуатации [8, 11, 15].
На основе разработанной пространственной динамической модели и соответствующего математического аналога КМ были проведены расчеты по оценке плавности хода и проходимости КМ по типовому маршруту. Расчеты проводились на примере двухосных колесных машин ЗИЛ 432720 и ЗИЛ 432730. Расчетный маршрут состоял из 4-х участков (таблица 4). В отличие от ранее проведенных расчетов, был принят постоянным не диапазон возму щающих частот, а диапазон длин неровностей. На рис. 11 представлены АЧХ автомобиля ЗИЛ 432720 и диапазоны возмущающих частот в зависимо сти от скорости движения Va.
Проведено сравнение значений расчетных показателей определяющих плавность хода и проходимость для плоской (4) и пространственной моделей (5) при движении по типовому маршруту. Значения параметров определяю щих проходимости Z, Т для пространственной динамической модели отли чаются в среднем на 20% от аналогичных показателе й плоской модели. Кро ме того выявлено, что наибольшие затраты на движение, а следовательно бо лее низкий уровень проходимости у КМ наблюдается при скорости 20 км/ч.
При этой скорости движения в область действующих частот попадают оба резонанса (низкочастотный и высокочастотный).
Таблица 4.
Параметры участков расчетного маршрута № участка Характеристика поверхности участка Исходные данные H Г 0 м, A 1 Дорога с твердым покрытием неровная H Г 0 м, A 2 Грунтовая неровная (разбитая) дорога H Г 0,4 м, A 3 Ровная грунтовая поверхность H Г 0,4 м, A 4 Неровная грунтовая поверхность Подтверждается определяющее влияние неподрессоренной массы на плавность хода и проходимость автомобиля. Дополнительные динамические нагрузки, возникающие при движении по неровным опорным поверхностям, на 50-60 % складывались из нагрузок от колебания неподрессоренной массы.
Для выяснения характера влияния неподрессоренной массы рассмотре но движение КМ ЗИЛ 432720 по типовому маршруту с номинальной и уменьшенной в два раза неподрессоренной массами. На рис. 12 представлены все возможные сочетания длин неровностей S и скоростей движения КМ, соответствующие резонансным колебаниям. Из рис. 12 видно, что при уменьшении неподрессоренной массы диапазон скоростей, диапазон длин неровностей, в котором возможен низкочастотный резонанс немного умень шается.
Высокочастотный резонанс возможен практически во всем диапазоне скоростей при малых длинах неровностей. Так, при начальных значениях не подрессоренной массы, резонанс возможен при длинах неровностей от 0, до 4,4 м, при заниженных значениях неподрессоренных масс – от 0,45 до 3, м. Таким образом, возможно движение КМ с более высокими скоростями по коротким неровностям.
Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика для точки, находящейся над передним левым колесом автомобиля ЗИЛ Рис. 12. Возможности резонансных колебаний в условиях эксплуатации неподрессоренная масса:
–––––– номинальная - m ;
m –––––– уменьшенная Рис. 13. Влияние неподрессоренной массы на суммарную динамическую нагрузку для переднего левого колеса Рис. 14. Влияние неподрессоренной массы на глубину колеи для переднего левого колеса На рис. 13, 14 представлены результаты расчетов динамической на грузки и глубины колеи в этом случае движения.
Уменьшенная в двое неподрессоренная масса благоприятно влияет на плавность хода и проходимость КМ. Динамические нагрузки снижаются с среднем на 20 %, а глубина колеи – на 10 % (грунт: суглинок W 70...90 %, 1100кг / м 3, H Г 40см ).
При оценке прочностных свойств несущей системы (рамы) КМ при движении по твердым и деформируемым грунтам установлено значительное уменьшение углов закручивания рамы при движении по мягким грунтовым поверхностям. На рис. 15 представлен график зависимости угла закручива ния рамы от скорости движения.
Рис. 15. Зависимость угла закручивания рамы от скорости движения по твердым и деформируемым поверхностям Общие результаты и выводы 1. Разработаны динамические модели колесных машин в виде колебательных систем, в которых подрессоренные и неподрессоренные массы автомобиля связаны между собой упругими и демпфирующими элементами. Колебатель ные процессы этих масс взаимосвязаны с деформациями неровного мягкого грунта, механические характеристики которого нелинейны и зависят от его физического состояния.
2. Составлено обобщенное математическое описание колебаний многомассо вых динамических систем на деформируемом неровном грунте, позволяющее проводить расчет по определению дополнительных динамических нагрузок, действующих на каждое колесо колесной машины. Адекватность простран ственной динамической модели подтверждена экспериментальными иссле дованиями как для одиночного активного колеса так и для двухосного пол ноприводного автомобиля. Количественное расхождение теоретических и экспериментальных данных находится в диапазоне 6…12 %.
3. Существенное влияние не параметры колебаний подрессоренных и непод рессоренных масс колесной машины оказывают жесткостные и демпфирую щие свойства деформируемой опорной поверхности. Расчеты по определе нию дополнительных динамических нагрузок при моделировании движения по твердому и деформируемому неровному грунту (А=10-3) дают расхожде ние до 100 %. Увеличение влажности грунта от базовой W=70 % на 30% приводит к снижению дополнительных динамических нагрузок на 10 %.
4. Определены области применения разработанных динамических моделей.
M 10 для При соотношении подрессоренной массы с неподрессоренной m упрощения расчетов неподрессоренную массу можно не учитывать и рас сматривать колебательные процессы с помощью второй динамической сис темы. При определении дополнительных динамических нагрузок, возникаю щих в результате моделирования движения по микронеровностям, высота ко торых больше 5 см, рекомендуется выбирать динамические системы, учиты вающие поперечно-угловые колебания (схемы 3 и 5). При расчетах по про странственной динамической модели (схема 5) динамические нагрузки уве личиваются на 25 % относительно плоской модели (схема 4).
5. Для пространственной динамической модели при математическом описа нии неровностей недеформируемой поверхности, рекомендуется выбирать зависимости для спектральных плотностей микронеровностей, описывающие полусумму и полуразность высот неровностей под левыми и правыми коле сами. При движении по деформируемой поверхности рекомендуется исполь A V зовать зависимость: Sq 2 a и время запаздывания прохождения неровно стей колесами второй оси относительно соответствующего переднего колеса.
6. Выявлено влияние числа проходов колес на изменение высот микронеров ностей. Для колес второй и последующих осей спектральную плотность мик ронеровностей необходимо пересчитывать. Эксперименты показали, что среднеквадратическая высота микронеровностей qS в среднем уменьшается на 50 %, после прохода предыдущего колеса при движении «след в след» (грунт: песок, 1650кг / м 3, W 4 % ).
7. В качестве критерия эффективности работы двухосной колесной машины выбрана средняя скорость ее движения по заданному маршруту, состоящему из участков с различными деформативными свойствами. При проведении расчетов рекомендуется выбирать пятую пространственную модель КМ, как наиболее полно отражающую реальные динамические процессы, возникаю щие в системе моделирования движения «полноприводная КМ - деформи руемый грунт».
8. Проведена сравнительная оценка степени оптимальности параметров под вески, развесовки и шин, заложенных в конструкцию автомобиля ЗИЛ 432720 (на примере движения в дорожно-грунтовых условиях – суглинок, W 70...90 %, 1100кг / м3, H Г 40см ). При варьировании вышеперечис ленными параметрами: 1) показатели плавности хода (виброускорения) выше на 10% для 4 динамической модели относительно 5 модели;
2) глубина колеи на 8% больше у 5 динамической модели относительно 4 модели. Выбранные характеристики подвески и развесовки близки к оптимальным. По расчетам по критерию плавности хода возможна скорость движения 40 км/ч, но за счет двигателя она составляет 15 км/ч.
Основные положения диссертации отражены в 15 печатных работах.
В том числе 3 публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 учебно методическое пособие.
1. Чичекин И.В., Агейкин Я.С., Вольская Н.С., Соловьев А.В. Дополнитель ный бесконтактный движитель как средство повышения проходимости ко лесной машины // Автомобильная промышленность. - 2008. - № 2. – С. 15 – 16.
2. Чичекин И.В., Агейкин Я.С. Проблемы повышения эффективности транс портных средств для районов со слаборазвитой дорожной сетью // Грузовик.
– 2010. - №3. - С. 15 – 17.
3. Чичекин И.В., Вольская Н.С., Ширяев К.Н. Разработка метода эксперимен тального исследования взаимодействия колеса с грунтом // Грузовик. – 2010.
- №3. - С. 17 – 21.
4. Чичекин И.В., Вольская Н.С. Движение колесных машин по неровным грунтовым поверхностям // Сборник научных докладов IV Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения», 24 28 ноября 2003 г., ЮНЕСКО – М.: МГИУ, 2003. – 3 с.
5. Чичекин И.В., Вольская Н.С. Методика расчета показателей проходимости колесной машины при движении по неровным грунтовым поверхностям // «Проектирование колесных машин», материалы Международного симпо зиума посвященного 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана. Доклады. – М., 2005. - С. 38 - 44.
6. Чичекин И.В. Математические модели динамики многоосной колесной машины при движении по неровной твердой дороге. Участие молодых уче ных, инженеров и педагогов, в разработке и реализации инновационных тех нологий: Сборник научных докладов VI Международной научно практической конференции ЮНЕСКО. – М.: МГИУ, 2006. – 5 с.
7. Чичекин И.В. Оценка неровности деформируемого грунта при цикличе ском взаимодействии с колесами автомобиля движения двухосной колесной машины по деформируемому грунту с гармоническими неровностями // Сборник научных докладов VIII Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональ ному образованию: проблемы и новые решения», 17-19 ноября 2009г., ЮНЕ СКО. – М.: МГИУ, 2009. – С. 832 – 835.
8. Чичекин И.В., Чудаков О.И. Сравнение плоской и пространственной рас четных моделей двухосной колесной машины при движении по неровным деформируемым поверхностям // 69 Международная научно-техническая конференция ААИ (Какой автомобиль нужен России?). – Омск: СибАДИ. – 2010. – 7 с.
9. Чичекин И.В., Вольская Н.С. Методика расчета показателей проходимости колесной машины при движении по неровным грунтовым поверхностям // «Проектирование колесных машин», материалы Международного симпо зиума посвященного 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана. Доклады. – М., 2005. - С. 38 - 44.
10. Чичекин И.В., Вольская Н.С. Влияние параметров колес и подвески на проходимость колесных машин при движении по неровным грунтовым по верхностям // сборник научных трудов 64 Научно-методической и научно исследовательской конференции. – М.: МАДИ (ГТУ), 2006. – С. 35 – 39.
11. Чичекин И.В., Вольская Н.С. Влияние неровности грунта на показатели проходимости колесных машин // Материалы VI Всероссийской научно практической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса». – Екатеринбург: УГТУ, 2008. - С. 48 – 51.
12. Чичекин И.В., Агейкин Я.С., Вольская Н.С. Моделирование взаимодейст вия колесной машины с неровной грунтовой поверхностью. // «Проектирова ние колесных машин», доклады на конференции. – М.: МГТУ им. Н.Э. Бау мана, 2009. – 10 с.
13. Чичекин И.В. Моделирование движения двухосной колесной машины по неровным грунтовым поверхностям // Проектирование колесных машин и двигателей внутреннего сгорания: Доклады на конференции. – М.: МГИУ, 2009. – С. 6 – 15.
14. Чичекин И.В. Разработка динамических моделей двухосных колесных машин для анализа проходимости при движении по неровным грунтовым по верхностям // Проектирование колесных машин и двигателей внутреннего сгорания: Доклады на конференции, посвященной 50-летию МГИУ. – М.:
МГИУ, 2010. – 6 с.
15. Чичекин И.В., Агейкин Я.С., Вольская Н.С. Оценка эксплуатационных свойств автомобиля: Учебно-методическое пособие. Гриф УМО. – М.:
МГИУ, 2007. – 47 с.