Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
НГУЕН ВАН НЬАНЬ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВЕСКИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ВИБРОСТЕНДАХ
Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Иркутск - 2012
Работа выполнена на кафедре Автомобильный транспорт ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет Научный руководитель Заслуженный работник Высшей школы Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Федотов Александр Иванович
Официальные оппоненты: Озорнин Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Забайкальский государственный университет, профессор кафедры Строительные и дорожные машины Степанов Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ЭМТП и БЖД Иркутской государственной сельскохозяйственной академии
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), г. Омск
Защита состоится 25 октября 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет по адресу:
г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус К, конференцЦзал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет.
Автореферат разослан: 20 сентября 2012 г.
Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять в адрес диссертационного совета:
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04;
e-mail: ds04@istu.edu; факс: (3952) 4058
Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, профессор Н.Н. Страбыкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Автомобильный транспорт остаётся самым опасным видом транспорта. В последние годы все больше внимания стало уделяться проблемам комфорта и активной безопасности автотранспортных средств (АТС). При этом все более высокие требования предъявляются к эффективности работы автомобильных подвесок. Подвеска, наряду с плавностью хода, влияет на активную безопасность АТС, обеспечивая контакт его колёс с дорогой.
Изменения технического состояния подвески приводят к нарушениям контакта колёс с дорогой, значительно снижая управляемость и устойчивость автомобиля.
Контроль технического состояния подвески АТС, находящихся в эксплуатации, осуществляют как в дорожных условиях, так и на вибростендах. Существует множество методов и средств контроля технического состояния подвески АТС, такие как методы EUSAMA, BOGE/MAHA, принцип Тэта и т.д. Существующие методы диагностирования в основном оценивают техническое состояние подвески с позиции обеспечения плавности хода и не позволяют оценивать его влияние на качество сцепления шин с дорогой, а следовательно, на управляемость, устойчивость и активную безопасность АТС.
Применение существующих методов контроля сцепных характеристик шин в процессе диагностирования подвески АТС наталкивается на противоречие, связанное с отсутствием знаний о закономерностях влияния технического состояния подвески на сцепные характеристики шин.
В связи с этим особую актуальность приобретает необходимость проведения научного исследования, направленного на разработку эффективного метода оценки влияния технического состояния подвески на качество взаимодействия шин с опорной поверхностью дороги. Наличие такого метода даст возможность уже на стадии контроля выявлять из общего числа АТС те, техническое состояние подвески которых не обеспечивает эффективное сцепление шин с опорной поверхностью дороги, и тем самым повысит их активную безопасность.
Рабочей гипотезой являлось предположение о том, что значительное повышение безопасности АТС возможно на основе контроля влияния технического состояния подвески на величину боковых реакций шин в процессе её диагностирования на вибростендах.
Целью работы является повышение безопасности АТС в условиях эксплуатации, на основе высокоэффективного стендового метода контроля влияния технического состояния подвески на качество сцепления шин с опорной поверхностью.
Методы и средства исследования. Поставленная цель достигается использованием методов теоретической механики, теории эксплуатационных свойств автомобиля, теории колебаний, численных методов и программирования, дифференциального и интегрального исчислений, статистических методов планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных, а также проведением экспериментальных исследований с использованием современного исследовательского оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры на базе современной компьютерной техники.
Объект исследования - Процесс изменения боковых реакций на колёсах автомобиля, диагностируемого на вибростенде, при изменении технического состояния подвески и характеристик шин.
Предмет исследования - Функциональные зависимости и параметры, характеризующие процесс взаимодействия шин АТС с опорной поверхностью при диагностировании подвески на вибростендах.
Достоверность полученных результатов обеспечена: необходимым объемом экспериментальных исследований, установленным при помощи методов теории планирования эксперимента, теории вероятностей и математической статистики; корректностью экспериментов, выполненных с применением современной контрольно-измерительной аппаратуры; корректным использованием корреляционно-регрессивного анализа; хорошей сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований, а также отсутствием противоречий с результатами ранее проведенных исследований.
Научной новизной обладают:
1. Высокоэффективный метод диагностирования технического состояния подвески АТС на вибростендах, основанный на измерении и анализе выявленных функциональных зависимостей минимального коэффициента бокового сцепления уmin от изменений параметров технического состояния подвески и характеристик шин.
2. Разработанная математическая модель системы Кузов - подвеска - шина - стенд, позволяющая расчетными методами исследовать изменение боковых реакций на колёсах и характеристики взаимодействия шин с опорной поверхностью при варьировании технического состояния подвески в процессе её диагностирования на вибростендах.
3. Научно обоснованный диагностический параметр уmin, позволяющий оценивать качество сцепления шин с опорной поверхностью, косвенно характеризующий устойчивость и управляемость АТС, зависящий от технического состояния подвески и шин.
4. Функциональные зависимости диагностического параметра уmin от параметров технического состояния подвески и износа шин АТС.
Практическая значимость исследования:
Внедрение разработанного метода диагностирования технического состояния подвески в технологический процесс автотранспортных и авторемонтных предприятий, фирменных и сервисных центров позволит значительно сократить количество АТС, техническое состояние подвески которых не обеспечивает качественного сцепления шин;
Внедрение метода на предприятиях осуществляющих технический осмотр АТС позволит повысить качество контроля технического состояния подвески АТС, что значительно повысит их активную безопасность в условиях эксплуатации;
ЗаводамЦизготовителям диагностического оборудования результаты работы дают возможность совершенствования конструкций производимых ими вибростендов для диагностики подвески;
ФирмамЦпроизводителям подвески результаты работы дают возможность совершенствования конструкций подвески, сокращения трудоемкости их испытаний;
Преподавателям автомобильных специальностей технических ВУЗов разработанные теоретические предпосылки метода позволят повысить качество подготовки специалистов в области технической эксплуатации и диагностики АТС.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Эффективность и информативность диагностирования технического состояния подвески АТС можно значительно повысить, если выполнять его на вибростендах в режиме колебаний колес с резонансной частотой неподрессоренных масс и поперечных перемещений опорных платформ стенда, определяя при этом диагностические параметры, характеризующие техническое состояние подвески и качество сцепления шин.
2. Аналитические исследования процесса функционирования подвески на вибростенде необходимо выполнять с помощью разработанной математической модели системы Кузов - подвеска - шина - стенд, содержащей математические описания процессов: колебаний опорных платформ вибростенда, вертикальных колебаний подрессорен ных и неподрессоренных масс АТС; изменения боковых реакций Ry на шинах колес диагностируемой оси АТС для трех видов их бокового нагружения: упругой деформации;
упругой деформации с частичным боковым скольжением; чистого бокового скольжения.
3. В качестве диагностических параметров, характеризующих техническое состояние подвески на вибростендах, необходимо использовать минимальный коэффициент уmin бокового сцепления шин, как показатель качества сцепления шин с опорной поверхностью и коэффициент К, снижения нормальной нагрузки на колеса (рассчитанный по методу EUSAMA), как показатель демпфирующих свойств подвески.
4. Выявленная функциональная зависимость между диагностическим параметром уmin и параметром технического состояния подвески Кпотб, представляет собой параболу y min a К b Кпотб c потб вида:. Износ шин изменяет коэффициенты а, b и c этой функции, уменьшая величину уmin.
Апробация работы. Материалы исследований доложены и получили одобрение: на научно-технической конференции факультета транспортных систем ИрГТУ, г. Иркутск, 2010 г.; на V Российско-германской конференции по безопасности дорожного движения Безопасность движения в городах, г. Иркутск, 2010 г.; на 1-ой Всероссийской научнотехнической конференции Авиамашиностроение и транспорт Сибири, 26-29 апреля 2011 г., ИрГТУ, г. Иркутск; на III МНПК Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта, ИрГТУ г. Иркутск, 2011 г.; на I-ой МНПК Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса, Г. Новокузнецк, 25-26 ноября, 20г.; на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции Авиамашиностроение и транспорт Сибири, 12-15 апреля 2012 г., ИрГТУ, г. Иркутск; на Всероссийской 65-ой научно-технической конференции Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурностроительного и дорожно-транспортного комплексов России, ФГБОУ ВПО СибАДИ, ноябрь 2011 г., г. Омск; на VII межвуз. науч. конф. студ., магис. асп. Развитие транспорта - основа прогресса экономики России март 2012 г., СПбГИЭУ, г.Санкт-Петербург; на I МНПК Совершенствование эксплуатационных свойств транспортно-технологических машин и комплексов. г. Сургут, 18-20 апреля 2012 г. - Омск: СибАДИ.
Реализация результатов работы. Разработанный метод диагностирования технического состояния подвески АТС на вибростендах прошёл производственную проверку и рекомендован к внедрёнию в ЗАО Компания Новгородский завод ГАРО (г. Великий Новгород). Там же внедрена математическая модель системы Кузов - подвеска - шина - стенд. Разработанный диагностический комплекс и математическая модель системы Кузов - подвеска - шина - стенд используются в учебном процессе ИрГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, общим объемом 3,7 усл.
п.л., в том числе 4 работы в изданиях, из перечня ВАК, подана заявка на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных выводов, содержит 172 страниц (в том числе 24 таблицы и 83 иллюстрации), список литературы из 134 наименований и 2 приложения на 22 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены рабочая гипотеза, цель, задачи, объект, предмет, методы и средства исследования, научная новизна и практическая значимость работы, основные научные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит аналитический обзор методов и средств диагностирования технического состояния подвески АТС. Исследованиям в этой области посвятили свои труды: Волошин Ю.Л., Воропаев Г.А., Гридасов Г. Г., Даллакян Ю.Н., Дембаремдикер А.Д., Елисеев С.В., Жигарев, В.П., Кашуба Б.П., Кирса В.И., Копилевич Э.В., Певзнер Я.
М., Порхаев В.Г., Рампель Й., Ротенберг Р.В., Степанов И.С., Федотов А.И., Цимбалин В.Б., и многие другие известные отечественные и зарубежные ученые.
Установлено, что существующие методы и средства не позволяют количественно оценивать влияние технического состояния подвески на качество сцепления шин с опорной поверхностью дороги, следовательно, они не оценивают влияние технического состояния подвески на управляемость, устойчивость и активную безопасность АТС.
Проведенный анализ позволил определить цель и задачи научного исследования:
1) Разработать математическую модель системы Кузов - подвеска - шина - стенд, позволяющую исследовать изменение боковых реакций на колёсах АТС при изменении технического состояния подвески и характеристик шин, выявлять взаимосвязи между диагностическими параметрами и параметрами технического состояния;
2) Научно обосновать метод диагностирования технического состояния подвески на вибростендах, режимы тестового воздействия, а также диагностические параметры, позволяющие оценивать влияние технического состояния подвески на характеристики сцепления шин с опорной поверхностью. Выявить функциональные зависимости между диагностическими параметрами и параметрами технического состояния подвески АТС при её диагностировании на вибростендах;
3) Выполнить экспериментальную проверку разработанного метода диагностирования технического состояния подвески на вибростендах и дать ему техникоэкономическую оценку.
Вторая глава посвящена разработке научных предпосылок высокоинформативного метода диагностирования подвески, который позволит оценивать влияние технического состояния подвески на качество сцепления шин с опорной поверхностью.
Составлена структурно-следственная схема системы Кузов - подвеска - шина - стенд, которая представлена на рис.1.
Рис. 1. Структурная схема системы Кузов - подвеска - шина - стенд Эта схема позволила выявить взаимосвязи между входящими в нее элементами. В соответствии со схемой, нормальные реакции на колесах АТС в условиях вибростенда могут быть выражены функционалом вида:
Rz=F1[t, (nэл.д.), GM, Gm, Кп, Сп, Кш,Cш(Рw)], (1) Боковая реакция Ry, возникающая при боковом перемещении колеса в процессе диагностирования подвески на вибростенде, представлена функционалом:
Ry = F2[у(t), (nэл.д.), GM, Gm, Кп, Сп, Кш,Cш(Рw)], (2) где: у(t) - функция бокового смещения колеса, [м]; РwЦ давление воздуха в шине, [Па]; - частота колебания опорной платформы вибростенда, [Гц]; (nэл.д.)Ц функция изменения частоты колебаний опорной платформы от частоты вращения вала электродвигателя;
Cш(Рw) - функция изменения радиальной жесткости шин от её давления; Сп - жесткость подвески, [Н/м]; Кп - коэффициент демпфирования амортизаторов, [Нс/м]; Кш - коэффициент затухания колебаний шины, [Нс/м]; Gм - вес подрессоренной массы, [кг]; Gm - вес неподрессоренных масс автомобиля, [кг].
На основе выявленных взаимосвязей была разработана математическая модель системы Кузов - подвеска - шина - стенд. Для этого рассмотрена колебательная система, включающая подрессоренные, неподрессоренные массы автомобиля, характеристики подвески, шин, и кинематику опорной платформы вибростенда, реализующего принцип EUSAMA (рис.2) с приводом от кулачкового механизма.
Автомобиль представлен подрессоренной М и неподрессоренной m массами, связанными между собой упругим элементом и демпфером.
Демпфирующие и упругие свойства шин представлены в виде упругого элемента и демпфера, с радиальной жесткостью сш и коэффициентом демпфирования кш.
Составлено математическое описание вертикальных колебаний колеса автомобиля на опорной платформе от кулачкового механизма вибростенда KDXG, реализующего принцип EUSAMA. Получено уравнение, описывающее кинематику перемещения опорной платформы вибростенда EUSAMA:
z1 r02 R0 2r0R0 cos(t) r02 sin2(t) Rmin, (3) Составлено математическое описание колебаний подрессоренной М и неподрессоренной m масс автомобиля на опорной платРис. 2. Расчетная схема процесса колебаформе вибростенда.
ния подвески автомобиля на платформе Получена система уравнений (4):
вибростенда KDXG (Knz3 Cnz3 Knz2 Cnz2) z3 М (4), 2 1 z [(Kn Kш )z2 (Cn Cш )z2 Knz3 Cnz3 Kшz1 Cшz1] m Составлено математическое описание изменения нормальной реакции Rz на колесах АТС при изменении технического состояния подвески и характеристик шин:
(M m)g (5) Rz Rzcm + Rzд Сш Cш (z2 z1) Kш (z1 z2), Cш где Rzст - статическая составляющая нормальной реакции на колесе, [Н]; Rzд - динамическая составляющая нормальной реакции на колесе, [Н]; Fкш, Fсш - силы демпфирования и упругости в шине соответственно, [Н].
Для определения условия отрыва колеса автомобиля от опорной поверхности платформы вибростенда была разработана расчетная схема, представленная на рис. 3.
Статический прогиб шины рассчитывался по следующей формуле:
(M m)g (6) zocт , Cш В соответствии с расчетной схемой рис. 3, в статическом соhцк0 rc zocт, а в дистоянии:
намике (во время колебаний):
hцк rc, hцк rj hцк0 Z. Если RZ то, следовательно, происходит отрыв колеса автомобиля от опорной поверхности платформы Рис. 3. Расчетная схема для определения условия отвибростенда. В момент отрыва рыва колеса от поверхности опорной платформы значение нормальной реакции на вибростенда колесах АТС равно нулю.
Составлено математическое описание процесса изменения боковой реакции Ry на колесах диагностируемой оси АТС на вибростенде при изменении технического состояния подвески и характеристик шин. Под действием боковой силы Fy шина деформируется в боковом направлении, а её реакция Ry определяет устойчивость и управляемость АТС. Процесс нагружения шины боковой силой разделен на три автономных режима:
а) Режим чистой упругой боковой деформации шины (без скольжения);
б) Режим упругой боковой деформации с частичным скольжением;
в) Режим чистого бокового скольжения (полный срыв пятна контакта).
Учитывая сложность процессов взаимодействия шины с опорной поверхностью, для каждого их трех режимов составлены расчетные схемы определения боковой реакции при боковом нагружении шины, которые представлены на рисунках 4, 5 и 6.
а) б) Рис. 4. Эпюры распределения боковой реакции по ширине пятна контакта при: а - чистой упругой боковой деформации; б - упругой боковой деформации с частичным скольжением При чистой упругой деформации шины (рис.4, а) значение боковой реакции Ry определялось по формуле (8).
При упругой боковой деформации шины с частичным боковым скольжением (рис.
4, б) значение боковой реакции равно сумме реакций трения покоя и трения скольжения.
Оно определяется по формуле (10).
При чистом скольжении шины (рис.5) боковая реакция равна произведению нормальной реакции на коэффициент трения скольжения и рассчитывается по формуле (12).
Рис. 5. Эпюра распределения боковой реакции по ширине пятна контакта в случае полного бокового скольжения шины Для каждого из трех режимов составлены формулы расчета боковых сил и реакций на колесах диагностируемого на вибростенде АТС, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Формулы для расчетов боковой силы и боковой реакции шин Режим нагру- Предел по сцеплеБоковая сила Fy,[Н] жения шины нию Ry,[Н] Чистая упругая yi yi Fy 2Pwr cos arctg( ), боковая дефор- Ry=ymaxRz, (8) Rz Rz мация шины H H Сш Сш (7) Упругая боковая деформация Ry=Rуп+Rуск Fy Fтр.п Fтр.ск Sптр.п Sсктр.ск, (9) с частичным =уmaxRz+ускRz(10) скольжением Чистое боковое Fy=(s)Rz, (11) Rуск=уск Rz, (12) скольжение На первом этапе моделирования боковой реакции рассматривали равномерное боковое перемещение шины без действия колебаний нормальной нагрузки (при этом на шину действовала только статическая нагрузка Rzст).
Далее рассматривали нагружение шины боковой нагрузкой при действии на неё переменной нормальной нагрузки от опорной площадки вибростенда. При действии на колесо боковой силы Fy поперечный профиль шины деформируется и становится несимметричным относительно вертикальной плоскости симметрии колеса. При этом значение боковой силы Fy определяли по формуле (7).
Схематично процесс боковой деформации шины был рассмотрен в виде кольцевой ленты на упругом основании (рис.6). При этом боковая сила Fy определялась по формуле:
y (13) Fу 2Pw r cos, H На рис. 6 представлена расчетная схема формирования пятна контакта шины с опорной поверхностью вибростенда во время боковой деформации шины с её частичным скольжением.
Во время боковой деформации шины с её частичным скольжением касательные напряжения в пятне контакта определяли по формуле Хедекеля:
(14) GK Rz , S0 SКоэффициент трения скольжения определяли по формуле:
(15) Атр.п тр.ск , 1где А - процент остаточного коэффициента трения;
- коэффициент насыщенности протектора; S0 - площадь пятна контакта шины, [м2];
Деформацию шины на горизонтальной, ровной опорной поверхности находили по формуле:
G R K z d , (16) sh P 2 r r P 2 r r w kp kc w kp kc где rkp - радиус тора, недеформированной шины, [м].
Диагонали эллиптического пятна контакта a и b были найдены согласно выражениям:
a 2 2rkcdsh, (17) b 2 2rkcrkp, Рис. 6. Схема формирования пятна конПлощадь эллиптического пятна контакта такта шины с опорной поверхностью виби переменное расстояние bYi в зависимости ростенда во время боковой деформации от его длины xi, рассчитывали по формушины с её частичным скольжением лам (18):
(18) b bYi a2xi2, SO 2dsh rkprkc, a Площадь Sск скользящей части пятна контакта и площадь Sп его покоящейся части запишутся в виде:
(19) Sск xibYi, Sп S0 Sск, При упругой боковой деформации шины с частичным боковым скольжением значение боковой силы равно сумме боковых сил трения покоя и трения скольжения. В этом случае Fy определялась по формуле (9).
В случае чистого скольжения шины значение боковой силы равно произведению нормальной реакции на коэффициент трения и рассчитывалось по формуле (11).
Разработан алгоритм расчетов на математической модели системы Кузов - подвеска - шина - стенд в процессе выполнения аналитического исследования. Решение диф ференциальных уравнений производилось методом численного интегрирования Эйлера.
Третья глава посвящена разработке методик экспериментального исследования, направленного на разработку метода, позволяющего оценивать влияние технического состояния подвески на характеристики сцепления шин. Для этого был разработан и изготовлен компьютерный исследовательский комплекс на базе вибростенда EUSAMA позволяющий задавать тестовые воздействия и измерять контролируемые параметры.
Схема комплекса представлена на рис. 7.
Рис. 7. Структурная схема компьютерного исследовательского комплекса на базе вибростенда марки KDXG, реализующем метод EUSAMA Внешний вид исследовательского комплекса на базе вибростенда марки KDXG с автомобилем Toyota Corolla представлен на рис. 8.
Рис. 8. Внешний вид автомобиля Toyota Corolla на вибростенде марки KDXG Разработана методика тарировки систем измерения. Представлены методики оценки погрешностей измеряемых величин, планирования экспериментов, оценки адекватности математической модели на основе критерия Фишера.
В четвертой главе приведены результаты исследования. Для оценки адекватности математической модели системы Кузов - подвеска - шина - стенд были проведены экспериментальные исследования процессов функционирования подвески и сцепных характеристик шин автомобиля Toyota Corolla на вибростенде марки KDXG, конструкция которого была модернизирована с учетом задач исследования.
Впервые были получены экспериментальные графики изменения нормальной Rz и боковой Ry реакций на колесах диагностируемой оси автомобиля Toyota Corolla, в условиях тестового воздействия, в виде вертикальных колебаний и поперечного перемещения платформ модернизированного вибростенда (рис. 9).
Рис. 9. Графики нормальной и боковой реакций на колесах передней оси автомобиля Toyota Corolla в процессе воздействия вертикальных колебаний и боковых перемещений на модернизированном вибростенде марки KDXG (эксперимент) В ходе математического моделирования процессов функционирования подвески в условиях воздействия вертикальных колебаний и поперечного перемещения при диагностировании подвески автомобиля Toyota Corolla на модернизированном вибростенде марки KDXG впервые были получены зависимости изменения нормальной Rz и боковой Ry реакций, которые представлены на рис. 10.
Рис. 10. Графики нормальной и боковой реакций на колесах передней оси автомобиля Toyota Corolla в процессе воздействия вертикальных колебаний и боковых перемещений на вибростенде марки KDXG (расчёт) Анализ сравнения результатов экспериментальных (рис. 9) и аналитических (рис.
10) исследований показывает хорошую сходимость расчётных и экспериментальных значений нормальной Rz и боковой Ry реакций. Проверка математической модели Кузов - подвеска - шина - стенд по критерию Фишера показала её адекватность.
С использованием разработанной математической модели было проведено аналитическое исследование влияния технического состояния подвески на параметры процесса колебаний масс АТС на платформах вибростенда и характеристики сцепления шин.
Установлено, что количественную оценку влияния технического состояния подвески на характеристики сцепления шин следует выполнять при помощи минимального коэффициента бокового сцепления шин уmin, который определяли по формуле:
Ry min y min , (20) Rzст Rymin - минимальное значение амплитуды колебаний боковой реакции на колесах, [Н].
Результаты экспериментального исследования процесса взаимодействия шин АТС с платформами вибростенда при исправном и неисправном техническом состоянии подвески, представлены на рис. 11.
На следующем этапе были выполнены аналитические и экспериментальные исследования влияния технического состояния подвески на сцепные характеристики шин АТС Toyota Corolla на вибростенде при одновременном варьировании типов и характеристик эластичных шин. Полученные результаты представлены в таблицах 2 и 3.
Рис. 11. Графики результатов аналитического исследования процесса взаимодействия шин автомобиля Toyota Corolla с платформами стенда KDXG при совместном действии колебаний нормальной нагрузки и поперечном перемещении колес: Левый столбец графиков - при исправной подвеске; Правый столбец - при неисправной подвеске.
Анализ результатов, приведенных в таблицах 2 и 3, показывает, что на сцепные характеристики шин оказывают значительное влияние: их тип; степень износа и высота протектора; колебания нормальной нагрузки, демпфирующие свойства подвески и др.
Таблица Тип шины Rzст (Н) Rymin(Н) уmin Rzст (Н) Rymin(Н) уmin расчет эксперимент При исправном амортизаторе 1.Зимняя снежная шина; сте4265 793 0,186 4267 795 0,1пень износа 5% Нпр1=10мм 2. Дождевая летняя шина; сте4267,35 804 0,188 4267,35 800 0,1пень износа 60%; Нпр2=5мм 3.Изношенная летняя шина;
4267 815 0,191 4268 812 0,степень износа 80%; Нпр3=2мм 4.Новая зимняя шина; степень 4270 823 0,193 4269 820 0,1износа 0%; Нпр4=13мм Таблица Тип шины Rzст (Н) Rymin(Н) уmin Rzст (Н) Rymin(Н) уmin расчет эксперимент При неисправном амортизаторе 1.Зимняя снежная шина; сте4265 360 0,084 4267 367 0,0пень износа 5% Нпр1=10мм;
2. Дождевая летняя шина; сте4267,35 372 0,087 4267,35 371 0,0пень износа 60%; Нпр2=5мм;
3.Изношенная летняя шина;
4267 373 0,087 4268 376 0,0степень износа 80%; Нпр3=2мм;
4.Новая зимняя шина; степень 4270 381 0,089 4269 385 0,износа 0%; Нпр4=13мм;
Каждый из перечисленных параметров шин влияет на величину коэффициента их бокового сцепления у, и в том числе, на величину минимального коэффициента бокового сцепления уmin в режиме резонанса. Для исследования боковой реакции и минимального коэффициента уmin варьировали значениями коэффициентов демпфирования амортизатора автомобиля Toyota Corolla в рамках эксплуатационных диапазонов. Коэффициент отбоя Кпотб варьировали в диапазоне 137,3780,3 Нс/м, коэффициент сжатия - Кпсж в диапазоне 66330 Нс/м. Статическая нормальная реакция на колесе была равна Rzст = 4267,3 Н.
Полученные в процессе расчетов графики зависимостей минимальной боковой реакции Rymin на колесах и значения минимальных коэффициентов бокового сцепления шин автомобиля с опорной поверхностью вибростенда от величины коэффициентов демпфирования амортизатора представлены на рисунках 12 а и 12 б.
а) б) Рис. 12. Графики минимальной боковой реакции на колесах (а) и минимального коэффициента бокового сцепления шин (б) автомобиля Toyota Corolla с опорной поверхностью в процессе воздействия вертикальных колебаний и бокового перемещения колес на вибростенде KDXG при варьировании технического состояния амортизатора Установлено, что чем хуже техническое состояние амортизатора (уменьшение значений коэффициентов отбоя Кпотб и сжатия Кпсж), тем меньше минимальное значение боковой реакции и минимальных коэффициентов бокового сцепления уmin.
Далее были выполнены исследования влияния технического состояния подвески автомобиля Toyota Corolla и частоты её колебаний на величину минимального коэффициента уmin бокового сцепления шин с опорными платформами вибростенда.
Рассчитывали зависимости минимального коэффициента бокового сцепления шин с опорной поверхностью вибростенда от частоты колебаний платформ для трех гранич ных состояний подвески, установленных на основе метода EUSAMA.
Первое сочетание коэффициентов отбоя и сжатия Кпотб = 459 Нс/м, Кпсж = 2Нс/м соответствовало исправному состоянию подвески. Второе сочетание коэффициентов отбоя и сжатия Кпотб = 238 Нс/м, Кпсж = 119 Нс/м соответствовало предельному состоянию подвески, на границе между исправным и неисправным состояниями. И третье сочетание коэффициентов отбоя и сжатия Кпотб = 178 Нс/м, Кпсж = 66 Нс/м соответствовало неисправному состоянию подвески.
В процессе расчета получены графики (рис. 13) зависимостей минимального коэффициента бокового сцепления шин от частоты колебаний для каждого из трех состояниях подвески: соответственно для исправного - уmin1, для предельного состояния - уminи для неисправного - уmin3.
Рис. 13. Графики зависимости минимального коэффициента бокового сцепления шин автомобиля Toyota Corolla с опорной поверхностью от частоты вертикальных колебаний платформ вибростенда KDXG для трех вариантов демпфирующих свойств подвески Такой подход позволил условно выделить три зоны качества сцепления шин с опорной поверхностью вибростенда в зависимости от технического состояния подвески автомобиля (смотри рис. 13):
а) зона хорошего сцепления (зона 1);
б) зона удовлетворительного сцепления (зона 2);
в) зона неудовлетворительного сцепления (зона 3).
В результате экспериментальных и аналитических исследований влияния технического состояния подвески на характеристики сцепления шин было установлено:
- при уmin > уmin1н = 0,17 подвеска обеспечивает хорошее сцепление шин с опорной поверхностью.
- при уmin2н = 0,09 < уmin < уmin1н = 0,17 подвеска обеспечивает удовлетворительное сцепление шин с опорной поверхностью.
- при уmin < уmin2н = 0,09 подвеска обеспечивает неудовлетворительное сцепление шин с опорной поверхностью.
Далее было выполнено сравнение минимального коэффициента бокового сцепления уmin с коэффициентом снижения нормальной нагрузки на колесах К (по методу EUSAMA) (рис. 14). В процессе сравнения оценивали, насколько информативно каждый из этих параметров отражает изменение технического состояния подвески и характеристик шин. То есть, оценивали информативность выявленного нового диагностического параметра - минимального коэффициента бокового сцепления уmin. Параллельно решалась и обратная задача. По установленным нормативным значениям минимального коэффициента бокового сцепления уmin определяли значения коэффициента К при колеба ниях нормальной нагрузки и варьировании технического состояния подвески (рис. 15).
Исследовали автомобиль Toyota Corolla с дождевыми летними шинами, статическая нагрузка на одно колесо 4267 Н, давление в шинах 0,19 МПа. Значения коэффициентов отбоя амортизатора варьировали в эксплуатационных диапазонах 100 - 600 Нс/м.
Рис. 14. Графики зависимости коэффициентов уmin и К от изменения технического состояния подвески и высоты протектора шин Были получены графики зависимости коэффициентов уmin1, уmin2 и уmin3 минимального бокового сцепления шин автомобиля с опорной поверхностью вибростенда при высоте протектора шины Нп1 = 2 мм, Нп2 = 6 мм и Нп3 = 10 мм.
Рис. 15. Графики зависимости коэффициентов уmin и К от изменения технического состояния подвески и высоты протектора шин Получены уравнения, наиболее точно описывающие полученные экспериментальные зависимости уmin от величины коэффициента отбоя амортизатора:
y min a К b Кпотб c потб (21) где а, b и c - коэффициенты уравнения.
Уравнение графика зависимости коэффициента К от величины коэффициента отбоя амортизатора имеет вид:
K 0,493К 10,73Кпотб 7,4потб (22) при коэффициенте достоверности аппроксимации: R2=0,987.
Проведенные результаты исследования убедительно доказывают, что:
- коэффициент K, снижения нормальной нагрузки на колеса (по методу EUSAMA), количественно оценивает только демпфирующие свойства подвески и не позволяет количественно оценивать сцепные свойства шин с опорной поверхностью, следовательно, он не оценивает управляемость и устойчивость АТС;
- коэффициент уmin бокового сцепления шин с опорной поверхностью вибростенда является информативным диагностическим параметром, позволяющим количественно оценивать качество сцепления шин с опорной поверхностью при колебаниях нормальной нагрузки в условиях вибростендов, он косвенно оценивает управляемость и устойчивость АТС в условиях эксплуатации;
- эффективное диагностирование подвески на вибростендах возможно при совместном измерении коэффициентов K и уmin в режиме колебаний нормальной нагрузки на колесах с резонансной частотой колебаний неподрессоренных масс.
Для реализации нового метода диагностирования разработан алгоритм, который состоит из четырех групп операций (рис. 16): предварительных, подготовительных, основных и заключительных. Разработана методика диагностирования подвески автомобиля на вибростендах реализующая новый высокоинформативный метод контроля технического состояния подвески, учитывающий сцепные свойства шин.
Рис. 16. Структурная схема алгоритма диагностирования технического состояния подвески АТС в стендовых условиях Для реализации разработанного нового метода диагностирования подвески разработана оригинальная конструкция вибростенда с подвижными в боковом направлении платформами (рис. 17) с кривошипным механизмом равных перемещений и активными опорными платформами. Конструкция стенда позволяет реализовывать разработанный метод диагностирования подвески автомобиля с учетом влияния её технического состояния на сцепные свойства шин. На конструкцию стенда подана заявка № 2010141337 на патент Российской Федерации о защите прав на интеллектуальную собственность.
Рис. 17. Функциональная схема вибростенда с кривошипным механизмом равных перемещений и активными опорными платформами В пятой главе приведены результаты расчета экономической эффективности диагностирования технического состояния подвески АТС на вибростенде. Экономический эффект от внедрения разработанного нового метода диагностирования подвески, в расчете на одну СТО составляет 78350 руб. (от повышения качества выполненных работ) или 50 руб. на один автомобиль. Срок окупаемости диагностического комплекса составил 3,года. Производственная экспериментальная проверка разработанного метода диагностирования подвески автомобиля на вибростенде выполнена на ЗАО Промышленная группа ГАРО (г. Великий Новгород) подтвердила его высокую эффективность.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Снижение технического состояния подвесок приводит к ухудшению сцепления шин с опорной поверхностью, и как следствие, к нарушению устойчивости и управляемости автомобилей. Существующие методы диагностирования автомобильных подвесок не способны контролировать влияние их технического состояния на характеристики сцепления шин с опорной поверхностью.
2. Разработанная математическая модель системы Кузов - подвеска - шина - стенд, включающая математические описания: процесса бокового перемещения опорных платформ вибростенда; вертикальных колебаний подрессоренной и неподрессоренной масс автомобиля на вибростенде; процесса изменения боковых реакций на колесах при их боковых перемещениях, позволяет выполнять аналитические исследования боковых реакций на колёсах АТС при изменении технического состояния подвески и характеристик шин, выявлять взаимосвязи между диагностическими параметрами и параметрами технического состояния.
3. На основе аналитического и экспериментального исследования системы Кузов - подвеска - шина - стенд научно обоснован метод диагностирования технического состояния подвески на вибростендах, а также режимы тестового воздействия на колеса ди агностируемого АТС. Установлено, что высокоэффективный контроль технического состояния подвески возможен в процессе одновременного действия двух тестовых воздействий: колебаний нормальной нагрузки на колесах и бокового перемещения платформ.
4. Научно обоснованы диагностические параметры для контроля технического состояния подвесок на вибростендах: уmin - минимальный коэффициент бокового сцепления шин и K - коэффициент снижения нормальной нагрузки на колеса (рассчитанный по методу EUSAMA). Эффективное диагностирование подвески на вибростендах возможно при совместном измерении коэффициентов K и уmin в режиме колебаний нормальной нагрузки на колесах с резонансной частотой колебаний неподрессоренных масс. Это позволяет количественно оценивать как демпфирующие свойства подвесок, так и влияние их технического состояния на характеристики сцепления шин с опорной поверхностью.
5. Установлена функциональная зависимость между диагностическим параметром уmin и параметром технического состояния подвески Kпотб, представляющая собой параy min a К b Кпотб c потб болу вида:, а также зависимость между диагностическим параметром K - коэффициентом снижения нормальной нагрузки на колеса и параметром технического состояния подвески, отражающим её демпфирующие свойства, предK 0,493К 10,73Кпотб 7,4ставляющая собой квадратичную параболу: потб.
6. Производственная экспериментальная проверка разработанного метода, выполненная в ЗАО Промышленная группа ГАРО (г. Великий Новгород) подтвердила его высокую эффективность и способность повышения безопасности АТС в условиях эксплуатации. Экономический эффект в расчете на одну СТО составляет 78350 руб. или руб. на один автомобиль. Метод позволяет оценивать влияние технического состояния подвески на качество сцепления шин с дорогой, т.е. косвенно учитывает влияние подвески на управляемость и устойчивость АТС, что позволяет значительно повысить их безопасность в условиях эксплуатации и даёт значительный социальный эффект.
Материалы диссертации опубликованы в следующих печатных работах:
Ц в изданиях из перечня ВАК РФ:
1. Нгуен Ван Ньань. Анализ методов диагностирования технического состояния подвесок АТС на современных вибростендах / А. Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань // Вестник ИрГТУ. - 2010. - № 5. - С. 131-134.
2. Нгуен Ван Ньань. Оценка технического состояния подвески автотранспортных средств/ А. Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань // Вестник ИрГТУ. - 2010. - № 6. - С. 138-141.
3. Нгуен Ван Ньань. Математическое описание работы кулачкового механизма вибростенда КDXG / А. Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань // Вестник ИрГТУ, 2011, № 6.С.61-64.
4. Нгуен Ван Ньань. Математическая модель процесса колебания подрессоренной и неподрессоренной масс автомобиля на опорной платформе вибростенда KDXG / д.фм.н, профессор, Власов В.Г./А. Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань // Вестник ИрГТУ, 2011, № 12.-С.160-166.
Ц патенты РФ:
5. Заявка №2010141337 на патент Российской Федерации, МПК 51 G 01 M 17/04.
Способ диагностирования технического состояния системы подвески автотранспортного средства и устройство для его осуществления / А.И. Федотов, А.Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань; заявитель и патентообладатель Ирк. гос. техн. ун-т. - №2010141337/11; заявл.
07.10.10; опубл. 20.04.2012, Бюл. №4. - 4 с.
- в научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов:
6. Нгуен Ван Ньань. Компьютерный комплекс для экспериментальных исследований процессов колебания подвески АТС и изменения боковых реакций колес на вибростендах. Федотов А.И., Доморозов А.Н.,Нгуен Ван Ньань, Алексеев П.Г. В сборнике Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта. Материалы III Международной научно-практической конференции. г.Иркутск, июнь, 2011г. Стр.229-240.
7. Нгуен Ван Ньань. Устройство для диагностирования технического состояния подвески АТС, Федотов А.И., Доморозов А.Н.,Нгуен Ван Ньань. В сборнике Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта. Материалы III Международной научно-практической конференции. г.Иркутск, июнь, 2011г. Стр.39-45.
8. Нгуен Ван Ньань. Математическая модель процесса изменения боковой реакции колеса диагностируемой оси автомобиля на вибростендах./ Федотов А.И., А.Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань// В сборнике Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса. Материалы I Международной научно-практической конференции.
г. Новокузнецк, ноябрь, 2011г. Стр.101-106.
9. Нгуен Ван Ньань. Влияние технического состояния подвески АТС на величину боковых реакций на колесах диагностируемой оси / Федотов А.И., А.Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань.// В сборнике Развитие транспорта - основа прогресса экономики России.
Материалы VII межвуз. науч. конф. студ., магистрантов и асп. / г. Санкт-Петербург:
СПбГИЭУ. март 2012 г. Стр. 105-109.
10. Нгуен Ван Ньань. Разработка методики диагностирования технического состояния подвески АТС в стендовых условиях / Федотов А.И., А.Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань.// В сборнике Совершенствование эксплуатационных свойств транспортнотехнологических машин и комплексов. Материалы Первой международной научнопрактической конференции (г. Сургут, 18-20 апреля 2012 г.). - Омск: СибАДИ, 2012. Стр.
126-131.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям