Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При криволинейном движении наблюдается повышенная нагруженность балки моста, повышенный износ шкворневого узла, а также усталостное разрушение поворотного кулака грузового автомобиля. В связи с этим была выдвинута гипотеза о возможности снижения нагруженности элементов передней оси путем автоматического изменения углов наклона плоскостей качения управляемых колес грузового автомобиля в процессе эксплуатации, что повысит надежность, долговечность и безопасность автомобиля в целом.
Целью работы являлись уточнение математической модели и аналитическое исследование влияния углов наклона управляемых колес на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля. Разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля
Объекты исследований - грузовые автомобили при криволинейном движении. Предмет исследования - нагруженность элементов передней оси от силовых факторов, возникающих в пятне контакта с учетом поперечного крена кузова и боковой податливости шин.
Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании методов теории движения колесных машин и прикладной математики. Экспериментальные исследования проводились на грузовом автомобиле с использованием экспериментальной балки передней оси.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выполнен анализ аналитического исследования нагруженности элементов передней оси грузового автомобиля;
- определена целевая функция, учитывающая напряженное состояние в основных элементах передней оси и позволяющая вычислять зависимость изменения параметров угловой ориентации управляемых колес от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля. Проведена оптимизация динамического процесса криволинейного движения;
- предложен алгоритм создания программного обеспечения для бортового компьютера, что позволит в перспективе создать автоматические самонастраивающиеся системы, реализующие оптимальные законы изменения углов наклона плоскостей качения управляемых колес;
- даны рекомендации по выбору рациональных углов наклона осей поворота управляемых колес для семейства грузовых автомобилей марки КамАЗ.
Практическая значимость. Разработан метод снижения нагруженности элементов передней оси путем выбора оптимальных соотношений между углами наклона плоскостей качения управляемых колес и скоростью движения с радиусом поворота, что способствует снижению материалоемкости и повышению надежности, долговечности и безопасности грузового автомобиля в целом. Предложены практические рекомендации по выбору рациональных параметров угловой ориентации осей поворота управляемых колес грузовых автомобилей.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- уточненная математическая модель грузового автомобиля при криволинейном движении, учитывающая наклон плоскостей качения управляемых колес;
- результаты экспериментальных исследований по оценке напряженно-деформированного состояния элементов передней оси автомобиля при криволинейном движении;
- аналитический метод расчета зависимости углов наклона плоскостей качения управляемых колес от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля;
- обобщенная методика выбора рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля при движении по криволинейной траектории.
Реализация результатов работы. Метод определения законов изменения углов наклона плоскостей качения управляемых колес при криволинейном движении используется ГН - РФ ФГУП НАМИ при проектировании современных типов грузовых автомобилей и в учебном процессе в МГМУ МАМИ при подготовке инженеров по специальности Автомобиле- и тракторостроение.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседании кафедры Автомобили МГМУ (МАМИ) (2012г.), на 65-ой международной конференции Ассоциации Автомобильных инженеров (ААИ) Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров (г. Москва, 2009г.), на Молодежной научной конференции ВАО г. Москвы Роль молодежи в инновационном развитии науки (г. Москва, 2009 г.), на Международной научно-технической конференции ААИ Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров, посвященной 145-летию МГТУ МАМИ (г. Москва, 2010г.), на 77-ой Международной научно-технической конференции ААИ Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров (г. Москва, 2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, среди которых 2 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 190 страницах машинописного текста, включая 28 рисунок, 3 таблиц и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы и сформулирована ее основная цель.
В первой главе содержится анализ публикаций, посвященных состоянию вопроса исследования криволинейного движения и влияния параметров качения управляемых колес, определяющих их положение относительно дорожной поверхности, на прочностные параметры основных элементов передней оси и эксплуатационные характеристики грузового автомобиля.
Анализ литературных источников показал, что движение автомобиля по криволинейной траектории, сопровождающееся действием боковых возмущений, представляет значительную опасность, связанную с возникновением различного рода критических ситуаций. При этом основные детали и узлы находятся в критическом, с точки зрения нагружения, состоянии. Анализ источников, посвященных влиянию криволинейного движения и параметров качения управляемых колес на возникновение силовых факторов в пятне контакта колеса с дорожным покрытием и перераспределение нагрузок между осями и колесами, показывает, что именно силовые факторы в пятне контакта определяют напряженно - деформированное состояние (НДС) основных элементов передней оси грузового автомобиля. При этом неустойчивое движение на криволинейной траектории чревато потерей транспортным средством (ТС) устойчивости и управляемости, что может являться причиной тяжелых последствий дорожных происшествий.
Исследованиям, связанным с определением силовых факторов, действующих на автомобиль и его колеса при повороте посвящены работы В.П. Ветчинкина, А.М. Горелика, Ю.А. Ечеистова, Г.В. Зимелева, В.А. Иларионова, В.И. Кнороза, Б.И. Морозова, Я.М. Певзнера, Р.В. Ротенберга, Ю.Г. Стефановича, А.А. Тарутина, В.М. Трубникова, Б.С. Фалькевича. Эти работы указывают на необходимость учета крена подрессоренных масс, боковой податливости шин и кинематики подвески при рассмотрении вопросов, связанных с перераспределением силовых факторов между осями и колесами при криволинейном движении.
Существующие методы расчета элементов передней оси грузового автомобиля подробно рассмотрены в работах Г.А. Гаспарянца, Б.В. Гольда, А.И. Гришкевича, П.П. Лукина, В.Ф.Родионова, В.М. Шарипова и др.
Исследованиями влияния параметров качения управляемых колес на функциональные характеристики грузового автомобиля, занимались И.В. Балабин, Л.Л. Гинцбург, А.М. Горелик, Е.В. Кленников, В.И. Кнороз, К.С. Колесников, А.С. Литвинов, Ю.И. Неймарк, Я.М. Певзнер, Б.С. Фалькевич, Н.А Фуфаев, Е.А. Чудаков, др. Эти работы показали влияние на устойчивость и управляемость характеристик шин и параметров установки управляемых колес.
Однако в настоящее время отсутствуют уточненные математические модели грузовых автомобилей и методы расчета нагруженности основных элементов передней оси с автоматическим изменением параметров угловой ориентации управляемых колес.
Вышеизложенное позволило сформулировать основные задачи данной работы.
Во второй главе Во второй главе представлена концепция научного подхода к изучению нагруженности основных элементов передней оси автомобиля в зависимости от его конструктивных факторов. Обоснован выбор наиболее нагруженных элементов передней оси и наиболее опасных сечений.
При движении автомобиля на повороте суммарная центробежная сила инерции направлена перпендикулярно касательной, проведенной к траектории движения центра масс автомобиля (рис.1). Из этого следует, что даже при равномерном движении автомобиля на повороте происходит перераспределение нагрузки по осям и колесам не только в поперечном, но и в продольном направлениях, что вызывает дополнительное нагружение всех элементов передней оси автомобиля. Торможение автомобиля при криволинейном движении вызывает еще большее перераспределение нагрузки, а, следовательно, и более нагруженное состояние элементов передней оси. При таком экстремальном случае движения, напряжения в отдельных деталях передней подвески и переднего моста могут достигать критических значений и тем самым привести к повышенным износам и, в пределе, к поломке и аварии, что непосредственно связано с проблемой безопасности автомобиля.
Рис. 1. Сила инерции, действующая на автомобиль
при криволинейном движении
Возможностью оказывать влияние на перераспределение нагрузки от действующих в пятне контакта силовых факторов может стать автоматическое изменение углов наклона плоскостей качения управляемых колес. В этом случае, путем изменения плеч для сил, действующих в пятне контакта, изменяется нагруженность в элементах передней оси автомобиля.
Рассмотрим две схемы автомобиля: в первом случае плоскость наклона плоскости качения управляемых колес наклонена в сторону от центра поворота (рис. 2); во втором случае плоскость наклона плоскости качения управляемых колес наклонена в сторону к центру поворота (рис. 3).
Рис. 2. Схема автомобиля с наклоном Рис. 3. Схема автомобиля с наклоном
плоскостей колес от центра поворота плоскостей колес к центру поворота
На рисунках введены следующие обозначения:
Znar, Zvnut - радиальная (вертикальная) сила в пятне контакта на наружном и внутреннем колесах соответственно;
Ynar, Yvnut - осевая сила в пятне контакта на наружном и внутреннем колесах соответственно;
Аnar, Аvnut - центр пятна контакта наружного и внутреннего колес;
Н - угол наклона плоскости качения наружного управляемого колеса;
hy - смещение пятна контакта, вследствие осевой податливости шины;
h - смещение пятна контакта, вследствие наклона плоскости качения управляемого колеса;
Fy1 - часть поперечной составляющей силы инерции, приходящейся на переднюю ось автомобиля;
t - смещение центра подрессоренных масс вследствие крена;
G - вес автомобиля;
hG - высота центра масс автомобиля относительно дорожной поверхности;
hC - расстояние (по вертикали) от центра масс автомобиля до оси крена.
В первом случае (см. рис. 2) величина смещения центра пятна контакта относительно начального положения при прямолинейном движении складывается из двух составляющих: смещения от наклона плоскости качения и смещения вследствие осевой податливости шины колеса. При этом уменьшается плечо радиальной силы и силы тяжести, что способствует неблагоприятному влиянию сил, возникающих в пятне контакта, на нагруженность элементов передней оси и негативно сказывается на устойчивости автомобиля против опрокидывания. Во втором случае (см. рис. 3) величина смещения центра пятна контакта относительно положения при прямолинейном движении будет определяться разностью этих же составляющих. При этом возможно увеличение плеча радиальной силы и силы тяжести, что позволит оказывать благоприятное влияние на нагруженность элементов передней оси грузового автомобиля и его устойчивость против опрокидывания.
Независимо от направления наклона плоскостей качения управляемых колес автомобиля горизонтальное смещение t, вследствие крена, направлено в сторону от центра поворота. Это способствует значительному перераспределению вертикальных нагрузок между наружным и внутренним колесами, что вносит свои коррективы в напряженное состояние несущих элементов передней оси грузового автомобиля.
При определении силовых факторов, действующих на элементы конструкции переднего моста грузового автомобиля в режиме криволинейного движения, используется расчетная схема, изображенная на рис. 4. Анализ литературных источников показывает, что наиболее нагруженными являются поворотный кулак, шкворневой узел и балка моста передней оси, при этом наиболее опасными сечениями можно считать: срединное сечение шкворня, площадку крепления рессоры к балке и галтель цапфы поворотного кулака (рис. 5), которые обозначены I-I, II-II и III-III соответственно.
Изгибающие моменты сечениях I-I, II-II и III-III:
Mu I = ZnarlI - Ynarr,
Mu II = ZnarlII - Ynarr,
Mu III = ZnarlIII - Ynarr.
Рис. 4. Схема сил, действующих на Рис. 5. Схема расчета поворотного
управляемый мост и эпюра кулака
изгибающих моментов
Автоматическое изменение угла наклона к дорожной поверхности управляемых колес, через которые передаются реакции дороги на элементы передней оси, способно оказывать влияние на внутренние силовые факторы, возникающие в элементах передней оси грузового автомобиля, разгружая их или напротив, вызывая дополнительное нагружение.
Данный факт долгое время не находил отражения в методике расчета элементов конструкций передних осей. В связи с этим исключалась возможность оценки влияния наклона плоскостей качения управляемых колес на НДС деталей передней оси грузового автомобиля. Впервые, данная проблема была затронута в исследованиях под руководством проф., д.т.н. И.В. Балабина. Была выдвинута гипотеза о возможности введения дополнений к предложенной расчетной схеме (см. рис. 4), которые сделают возможным решение задачи о влиянии наклона плоскостей качения управляемых колес на нагруженность основных элементов передней оси грузового автомобиля.
Согласно рис. 2. и 3., изменение изгибающего момента в вертикальной плоскости в опасном сечении элемента передней оси зависит от изменений величин радиальной и осевой сил, а также их плеч. Изменение плеч этих сил происходит из-за смещения пятна контакта вследствие боковой податливости шин h, а также вследствие наклона плоскости качения колеса.
В процессе эксплуатации автомобиля, величины изгибающих моментов в вертикальной плоскости в элементах передней оси изменяются от значений при прямолинейном движении, до значений при экстремальном криволинейном движении. Постоянное изменение величины изгибающего момента напрямую оказывает влияние на усталостное разрушение элемента, что может привести к нарушению работоспособности всего автомобиля в целом. Изменяя параметры угловой ориентации управляемых колес, можно уменьшить амплитуды колебаний изгибающих моментов и, тем самым, повысить предел выносливости элемента.
За наиболее опасное сечение было выбрано центральное сечение шкворня, так как шкворневой узел - главный элемент, обеспечивающий правильную установку и кинематику управляемых колес.
Очевидно, что нецелесообразно добиваться нулевого значения суммарного изгибающего момента в опасном сечении, так как при прямолинейном движении величина суммарного изгибающего момента вновь станет отличной от нуля. Если же величину суммарного изгибающего момента в вертикальной плоскости в опасном сечении оставить постоянной при всех случаях движения, то это благоприятно скажется на НДС элемента. Реализация такого условия состоит в том, чтобы суммарный изгибающий момент в вертикальной плоскости в опасном сечении при криволинейном движении был равен суммарному изгибающему моменту в том же сечении при прямолинейном равномерном движении (в дальнейшем просто прямолинейное):
Мкриволинейное=Мпрямолинейное
В этом случае напряжения в опасном сечении будут оставаться постоянными, независимо от режима движения и экстремальный режим окажется возможным полностью нейтрализовать и, тем самым, существенно защитить основные детали от перегрузок и повысить предел выносливости, надежность, долговечность и безопасность грузового автомобиля в целом.
В третьей главе содержится вывод аналитических зависимостей для изгибающих моментов в вертикальной плоскости в опасных сечениях наиболее нагруженных элементов передней оси грузового автомобиля. Проведено теоретическое исследование влияния углов наклона плоскостей качения управляемых колес на нагруженность передней оси грузового автомобиля при криволинейном движении. Определена целевая функция и проведена оптимизация параметров угловой ориентации плоскостей качения управляемых колес автомобиля, при движении по криволинейной траектории. Даны рекомендации по выбору рациональных параметров угловой ориентации осей поворота управляемых колес.
В общем случае для любого сечения наружной части передней оси изгибающий момент может быть определен зависимостью (рис.6 и 7):
,
где - смещение пятна контакта вследствие наклона колеса;
- смещение контакта вследствие боковой податливости шины;
Сb - боковая жесткость шины;
- дополнительная боковая сила, которую может воспринимать наружное колесо по отношению к центру поворота, вследствие наклона плоскости качения;
Znar, Ynar - радиальная и боковая силы в пятне контакта, на наружном, наиболее нагруженном колесе;
l - расстояние от центра пятна контакта при прямолинейном движении до рассматриваемого поперечного сечения продольной оси.
Моменты, действующие в опасных сечениях:
в шкворне: ;
в цапфе: ;
в рессоре: ,
где lsh, lc, lr - расстояния от центра пятна контакта при прямолинейном движении до опасных сечений в шкворне, цапфе и рессоре соответственно.
Рис.6. Схема динамической модели Рис.7. Схема определения изгибающих
автомобиля для определения силовых моментов в сечении при наклоне колеса
факторов в пятне контакта с учетом
крена и боковой податливости шин
Группируя тригонометрические функции:
,
, ,
где ; ;; ;
; ; ; ;
; ; ; .
Выражения для радиальной и боковой сил Znar, Ynar в пятне контакта (см. рис.6) выведены в ряде источников, посвященных теории движения автомобиля. Зависимости брались для предельного случая - начала опрокидывания, так как в этом случае происходит максимальное перераспределение силовых факторов между осями и бортами автомобиля. Учитывая эти зависимости, коэффициенты можно записать в виде:
;
При оптимизации процесса движения автомобиля по криволинейной траектории, в качестве целевой функции принимаем разность изгибающих моментов в опасном сечении при криволинейном и прямолинейном равномерном случаях движения. При достижении целевой функцией минимального значения напряженное состояние будем считать идеальным.
F(Н, R, V)=min(Msk-kriv-Msh-pr),
где V - скорость движения автомобиля;
R - радиус поворота;
Н - угол наклона плоскости качения наружного, по отношению к центру поворота, колеса;
Msh-kriv, Msh-pr - изгибающий момент в опасном сечении (шкворень) при криволинейном и прямолинейном случаях движения;
Для проведения оптимизации необходимо ввести ограничения на независимые параметры:
- скорость движения автомобиля на повороте ограничена минимальным и максимальным значениями;
- радиус поворота ограничен минимальным и максимальным значениями;
- угол наклона плоскости качения наружного управляемого колеса ограничен минимальным и максимальным значениями.
Приняты следующие ограничения параметров оптимизации:
V=9Е36 [м/с]; R=17Е143 [м], Нк[-5,30] или если в радианах, то Н к[-/36, /6].
Для снижения трудоемкости вычислений и уменьшения числа итераций, решение оптимизационной задачи разбивалось на два этапа.
На первом этапе на плоскости определения, ограниченной значениями скорости и радиуса поворота автомобиля выбирался массив множества значений углов наклона плоскостей качения колес в количестве сто равноудаленных точек, что вполне достаточно с точки зрения полноты описания исследуемой проблемы. После этого, для каждой точки решалась дискретная задача оптимизации функции одной переменной
F()=min(Msh-kriv-Msh-pr).
Для поиска локальных минимумов на области определения значений углов наклона , использовался градиентный метод первого порядка.
На втором этапе производилась аппроксимация дискретных значений углов наклона плоскости качения наружного управляемого колеса, с целью получения непрерывной зависимости угла наклона плоскости качения наружного колеса от скорости движения и радиуса поворота автомобиля.
Решение искалось в виде полинома 3-ей степени:
.
Графическое отображение проведения аппроксимации показано на рис. 6. На первом этапе высчитывалось множество из 100 дискретных значений, взятых равноудалено на всей плоскости определения (рис. 8, а). На втором этапе полиномом третьей степени производилась аппроксимация этих значений (рис.8, б, в), для чего решалась система уравнений:
Достигая оптимальных параметров нагруженности некоторого выбранного сечения, в остальных сечениях оптимум может не достигаться. Для учета трех наиболее опасных сечений использовался метод наименьших квадратов, при этом минимизировалась функция:
,
где Msh-kr, Msh-pr - изгибающий момент в среднем сечении шкворневого узла при криволинейном и прямолинейном случаях движения;
Mcap-kr, Mcap-pr - изгибающий момент в сечении, проходящем через галтель поворотного кулака, при экстремальном (криволинейном) и прямолинейном случаях движения;
Mres-kr, Mres-pr - изгибающий момент в сечении, проходящем через опорную площадку рессоры, при экстремальном (криволинейном) и прямолинейном случаях движения;
При учете всех трех сечений, поверхность строилась аналогично поверхности для срединного сечения шкворня. На рис. 9 показана зависимость угла наклона плоскости качения управляемого наружного колеса от скорости движения и радиуса поворота с учетом трех сечений для грузового автомобиля КамАЗ-65115.
Полученные поверхности позволяют при любых текущих значениях скорости движения и радиуса поворота автомобиля однозначно определить величину угла наклона плоскости качения управляемого наружного колеса, при котором нагруженность основных элементов будет оптимальна с точки зрения рассмотренных выше критериев.
Рис. 8. Аппроксимация дискретной зависимости угла наклона плоскости качения наружного управляемого колеса от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля; а) дискретные значения угла наклона плоскости качения колеса; б) и в) аппроксимационная поверхность.
Необходимо оценить изменение нагруженности в других рассматриваемых сечениях. На рис. 10, 11 показано графическое отображение величин изгибающих моментов в вертикальной плоскости для различных случаев движения при достижении оптимальных значений в шкворне. Красным цветом показаны зависимости для криволинейного равномерного движения с реализацией оптимального угла наклона наружного, относительно центра поворота, колеса для шкворневого узла. Синим цветом отображены зависимости для случая криволинейного равномерного движения, при котором плоскости качения управляемых колес остаются перпендикулярными поверхности дорожного полотна. Зеленый цвет соответствует зависимостям, при которых угол наклона наружного колеса выбирался из условия учета трех наиболее опасных сечений: галтели цапфы поворотного кулака, срединного сечения шкворневого пальца и опорной площадки рессоры. Желтым цветом показаны зависимости изгибающего момента в вертикальной плоскости при прямолинейном равномерном движении.
Как видно из графиков, при реализации автоматического изменения углов наклона управляемых колес большая часть поверхностей, учитывающих наклон колес оказывается выше уровня, соответствующего прямолинейному равномерному движению, что снижает амплитуду колебаний величин изгибающего момента.
Рис. 9. Зависимость угла наклона плоскости качения наружного управляемого колеса от скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля КамАЗ-65115 с учетом трех опасных сечений
Рис. 10. Распределение моментов в Рис.11. Распределение моментов в
цапфе поворотного кулака при опорной площадке рессоры при
равномерном криволинейном движении равномерном криволинейном движении
Кроме того, движение грузового транспорта редко связано с резкими ускорениями и набор скорости на грузовых автомобилях идет плавно и медленно, поэтому уменьшение величины изгибающего момента в вертикальной плоскости при прямолинейном движении с ускорением будет незначительным. С другой стороны, резкое торможение при прямолинейном движении весьма вероятно, что вызывает значительное увеличение уровня нагрузок, отображенных желтым цветом.
Выводом для вышесказанного может являться утверждение, что рабочей зоной для основных элементов передней оси грузового автомобиля будут величины изгибающих моментов в вертикальной плоскости, лежащие выше поверхности, отображающей прямолинейное равномерное движение вплоть до максимальных значений, соответствующих резкому торможению. Очевидно, что при реализации рекомендуемых углов наклона плоскостей качения управляемых колес большая часть поверхностей лежит в рабочей зоне, что благоприятно скажется на нагруженности, а, следовательно, долговечности и надежности основных элементов передней оси грузового автомобиля.
Для оценки долговечности детали можно привести цикл нагружения к симметричному циклу. Оценим, как будет изменяться предел выносливости -1 для цапфы и опорной площадки рессоры. Поворотные кулаки и балки ведущих мостов выполняются из стали 40Х. Предел выносливости для ассиметричного цикла будет определяться зависимостью:
где - коэффициент чувствительности к ассиметрии цикла, для указанного материала ;
и - амплитудное и среднее значения нормального напряжения от изгибающего момента в вертикальной плоскости;
Расчет приведен для скорости движения автомобиля 75 км/ч, при радиусе поворота 75 м.
Для цапфы получаем соотношение .
Для опорной площадки рессоры .
Таким образом, для среднестатистического режима движения (скорость 75 км/ч, радиус поворота 75 м) при активном управлении углами наклона колес наблюдается снижения предела выносливости до 5% для опорной площадки рессоры и до 29% для цапфы поворотного кулака.
Регулировка углов установки колес и положения осей поворота колес ТС является скрытым резервом производителя, выявление которого приводит к значительному снижению нагруженности основных элементов передней оси и существенной экономии расхода топлива, а также может сказываться на управляемости, устойчивости, маневренности и износе шин автомобиля. Поэтому разработка мероприятий по определению рациональных углов установки является актуальной проблемой при конструировании новых модификаций. Как было показано выше, оптимальным является обеспечение переменных, в процессе эксплуатации, угловых параметров управляемых колес, что может быть осуществлено путем автоматического изменения положения осей поворота передних колес. Такая задача может быть решена, например, созданием саморегулирующегося автоматического шкворневого узла, изменяющего углы наклона оси поворота переднего колеса в зависимости от радиуса поворота и скорости движения ТС. Однако, несмотря на несомненную перспективность, создание таких конструкций, особенно на ранней стадии разработок, может столкнуться с проблемами высокой материалоемкости и низкой надежности, и решение таких проблем потребует времени и дальнейших исследований. Кроме того, существующий парк грузовых автомобилей не может быть мгновенно заменен новыми модификациями, а переоборудование будет экономически не выгодным.
Выходом из сложившейся ситуации может являться разработка рекомендаций по выбору рациональных значений углов установки осей поворота управляемых колес для уже существующих конструкций в зависимости от условий эксплуатации.
При этом с одной стороны, требуется создание единичного производства, так как для каждой модели при различных условиях эксплуатации необходимы свои рациональные углы установки осей поворота управляемых колес. С другой стороны, для изменения угла наклона плоскости качения управляемого колеса необходимо изменить только продольный угол шкворня, что, для грузовых автомобилей с зависимой подвеской, вполне хорошо реализуется путем установки вкладышей между балкой переднего моста и рессорой. Поэтому при выдаче рекомендаций по рациональным значениям углов осей поворота управляемых колес, необходимо указать типоразмер вкладыша в зависимости от условий эксплуатации самого автомобиля.
Важным аспектом при реализации рекомендуемых углов наклона плоскостей качения управляемых колес является изменение кинематики поворота управляемых колес. Данный факт позволяет увеличить угол поворота управляемых колес при криволинейном движении и уменьшить, тем самым, внешний габаритный радиус поворота грузового автомобиля. Например, для автомобиля КАМАЗ 65115, реализация рекомендуемых углов наклона позволит увеличить угол поворота колес на 1,5, что снизит внешний габаритный радиус поворота с 10 м до 9,46 м. Особенно это важно при эксплуатации грузового автомобиля в городских условиях.
Сопоставление конструкций отечественных грузовых автомобилей показало, что проблеме изменения продольных углов осей поворота уделялось очень мало внимания. Анализ полученных зависимостей углов наклона плоскостей качения управляемых колес позволил сделать рекомендации по выбору рационального значения продольного угла наклона оси поворота колес. При значении продольного угла наклона оси поворота управляемых колес равном 8, кинематика плоскости качения колес будет максимально приближена к полученным аналитически зависимостям. При этом будет наблюдаться снижение нагруженности элементов передней оси и уменьшение внешнего габаритного радиуса поворота, что положительно скажется на надежности, безопасности, долговечности и маневренности грузового автомобиля.
В четвертой главе приведены исследования влияния наклона плоскостей качения управляемых колес на нагрузочный режим элементов передней оси грузового автомобиля с использованием натурного эксперимента на базе ГН - РФ ФГУП НАМИ.
Испытания проводились с использованием экспериментальной балки моста на автомобиле КамАЗ-53218 (рис.12).
Напряжения определялись методом тензометрирования, выходные сигналы тензорезисторов регистрировались измерительной тензометрической системой СИИТ-3.
Из приведенной на рис. 4 эпюры изгибающих моментов, нагружающих переднюю ось при криволинейном движении, следует, что поперечные сечения наружной по отношению к центру поворота части балки нагружены тем больше, чем ближе их положение к шкворню, при этом наибольшие напряжения должны возникать на крайних волокнах сечения. Однако малая ширина плоских поверхностей полок сечений, расположенных в непосредственной близости от шкворневого отверстия не позволяет разместить на них тензорезисторы.
В связи с этим было принято решение определять напряжения на верхней полке сечения I-I (см. рис. 4) как на наиболее близком к шкворневому отверстию с шириной плоской поверхности полки, достаточной для размещения тезорезисторов.
Эксперимент состоял из двух частей. В первой части эксперимента углы наклона осей поворота управляемых колес составляли: в продольном направлении = 3, в поперечном направлении = 8 (значения, рекомендуемые производителем). Во втором случае данным параметрам задавались значения: = 10, = 0.
В каждой части эксперимента заезды выполнялись на круговой площадке с сухим асфальтобетонным покрытием. Нагружение передней оси осуществлялось в результате равномерного движения автомобиля по круговой траектории, радиус которой составляет 12 м со скоростью 30 км/ч. Автомобиль двигался по кругу так, чтобы левая часть балки передней оси, на которой размещены тензорезисторы, являлась наружной по отношению к центру круговой траектории, т.е. автомобиль выполнял правый поворот.
Рис. 12. Экспериментальная балка. КамАЗ 53218
Подобный режим движения сопровождается перераспределением нагрузок, при котором на наружный борт приходится массы снаряженного автомобиля. Таким образом, выбранный режим близок к критическому, который может иметь место при криволинейном движении.
Сопоставляя значения напряжений при = 3, = 8 и при = 10, = 0, можно увидеть, что напряжения во втором случае сократились в среднем на 9,3%, что качественно подтвердило теоретические расчеты.
Основные результаты и выводы
1. Результатом данной работы являются научно обоснованные рекомендации по повышению прочностных характеристик несущих элементов передней оси грузового автомобиля при криволинейном движении путем автоматического изменения положения плоскостей качения управляемых колес, обеспечивающего оптимальные режимы нагруженности шкворневого узла, опорной площадки рессоры и галтели поворотного кулака.
2. Анализ конструкций подвесок грузовых автомобилей и НДС основных элементов передней оси показал, что современные конструкции не обеспечивают оптимальных угловых параметров качения управляемых колес при криволинейном движении, что приводит к появлению экстремальных режимов нагруженности основных элементов передней оси и негативно сказывается на надежности и безопасности грузовых автомобилей.
3. Получено аналитическое выражение на основе предложенной профессором, д.т.н. Балабиным И.В. зависимости углов наклона и поворота управляемых колес, позволяющее согласовать скорость, углы поворота и наклона плоскостей качения управляемых колес к центру поворота с учетом действующей на автомобиль боковой нагрузки при движении по криволинейной траектории, что открывает возможность оптимизации прочностных характеристик элементов передней оси, при одновременном улучшении целого ряда основных эксплуатационных свойств автомобиля, таких как устойчивость, управляемость, снижение износа шин и энергозатрат на их качение.
4. Реализация полученных зависимостей углов наклона плоскостей качения управляемых колес от скорости и радиуса криволинейного движения способствует как снижению нагруженности элементов передней оси по максимальной величине амплитуды, так и позволяет избежать знакопеременности действующих нагрузок, увеличивая тем самым долговечность и улучшая картину напряженного состояния основных элементов передней оси грузового автомобиля. При этом достигается повышение предела выносливости от 5% до 30% в зависимости от элемента передней оси, скорости движения и радиуса поворота грузового автомобиля.
5. Полученные результаты подтверждают рекомендации, отраженные в исследованиях, посвященных уменьшению износа шин и повышению устойчивости и управляемости грузовых автомобилей, перевозящих опасные и жидкотекучие грузы при движении по криволинейной траектории.
6. Проведенный на автополигоне ГН - РФ ФГУП НАМИ натурный эксперимент с применением специальной экспериментальной оси подтвердил наличие положительного эффекта по снижению уровня нагруженности элементов передней оси грузового автомобиля, достигаемого в результате обеспечения наклона плоскостей управляемых колес к центру поворота.
7. Результаты данного исследования показали, что автоматическая адаптация изменения наклона плоскостей качения управляемых колес не может быть достигнута при постоянных значениях углов установки осей поворота (шкворней) управляемых колес, что обосновывает правомерность вывода о необходимости обеспечения изменяемых углов, отслеживающих режимы прямолинейного и криволинейного движения. Конструкторское воплощение реализации оптимальных углов наклона плоскостей качения управляемых колес к центру поворота, обеспечивающих минимизацию действующей нагрузки на основные элементы передней оси, может быть в полной мере осуществлено при наличии схемы независимой подвески, что в настоящее время является перспективным направлением в развитии конструкции грузовых и специальных автомобилей. Материалы исследования позволили сделать рекомендации о целесообразности использования результатов исследования при проектировании передней оси грузового автомобиля. Предложен алгоритм вычисления рациональных параметров угловой ориентации плоскостей качения управляемых колес.
8. Значения углов наклона плоскостей качения управляемых колес, как показывают расчеты, являются реально достижимыми величинами и лежат в пределах до 30 градусов.
9. Отслеживание угловых параметров плоскостей качения колес в реальном времени обеспечит оптимальные значения углов установки управляемых колес и исключит текущую периодическую регулировку на стационарных специализированных пунктах в течение всей эксплуатации.
10. Для грузовых автомобилей с зависимой подвеской можно рекомендовать значение продольного угла наклона оси поворота управляемых колес равным 8. При этом кинематика поворота управляемых колес будет максимально приближена к рекомендованных расчетным зависимостям углов наклона плоскостей качения, полученных в результате теоретических расчетов.
11. При реализации зависимостей углов наклона плоскостей качения управляемых колес от скорости движения и радиуса поворота, возможно снижение внешнего габаритного радиуса поворота, что положительно скажется на маневренности грузового автомобиля. Например, для КамАЗ 65115 величина внешнего габаритного радиуса поворота снижается с 10м до 9,46, что составляет 5,4%.
12. Полученные аналитические соотношения представляют одно из новых направлений теории движения и расчета автомобиля и могут быть рекомендованы для включения их в соответствующие курсы учебного процесса.
13. Оформлена и принята к рассмотрению заявка на полезную модель адаптивного шкворневого узла, позволяющего обеспечить автоматическое изменение углов наклона плоскостей качения управляемых колес грузового автомобиля.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Балабин И.В., Надеждин В.С. Изменение угла наклона плоскости вращения управляемых колес как фактор оптимизации напряженно-деформированного состояния основных несущих элементов оси автомобиля. // Материалы 65-ой международной конференции Ассоциации Автомобильных инженеров (ААИ) Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров М., МГТУ МАМИ, 2009. - С. 45-51
2. Балабин И.В., Надеждин В.С. Оптимизация углов наклона плоскостей вращения управляемых колес при криволинейном движении - эффективный путь повышения надежности и ресурса несущих узлов автомобиля // Автомобильная промышленность №4, 2009. - С. 17-19 (входит в перечень ВАК).
3. Балабин И.В., Морозов С.А., Надеждин В.С. Параметры качения управляемых колес как фактор повышения устойчивости автомобиля и прочностных характеристик несущих узлов // Тезисы докладов Молодежной научной конференции ВАО г. Москвы Роль молодежи в инновационном развитии науки 28-29.10.2009. - С. 143-148
4. Балабин И.В., Лукьянов М.Н., Надеждин В.С., Рыбакова М.Р. Управление нагруженностью несущих узлов передней оси автомобиля путем выбора рационального угла наклона плоскости качения управляемых колес // Известия МГТУ МАМИ №2, 2010. - С.14-19 (входит в перечень ВАК).
5. Балабин И.В., Надеждин В.С. Исследование и оптимизация угловых параметров управляемых колес по критерию прочности основных несущих элементов передней оси автомобиля // Материалы Международной научно-технической конференции ААИ Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров, посвященной 145-летию МГТУ МАМИ М.: МГТУ МАМИ, 2010. - С. 514-518
6. Балабин И.В., Надеждин В.С., Чабунин И.С. Состояние проблемы по выбору углов установки осей поворота управляемых колес грузового автомобиля и рационализация этих параметров // Материалы 77-ой Международной научно-технической конференции ААИ Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров, М.: МГТУ МАМИ, 27-28 марта 2012.
Владимир Сергеевич Надеждин
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Метод снижения нагруженности элементов передней оси путем выбора рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля
Подписано в печать Заказ Объем 1,0 п.л. Тираж 100
Бумага типографская Формат 6090/16
МГТУ МАМИ, 107023, Москва, Б. Семеновская ул., дом. 38
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям