Колебания автомобиля при торможении и применение их исследования в проектных расчетах, технологии испытаний, доводке конструкции

В отличие от многих машин массового производства автомобильные транспортные средства подвергаются изменчивым и неожиданным внешним воздействиям при перевозках грузов и пассажиров. Поэтому оценивать конструкцию автомобиля приходится по множеству эксплуатационных свойств, а их совершенствование можно осуществлять только на основе более глубокого изучения рабочих процессов взаимодействия автомобиля с внешней средой при разных управляющих воздействиях.

Среди основных эксплуатационных свойств автомобиля, плавность хода, выражаемая характеристиками колебательных процессов и вибраций его масс, занимает особое место. Это объясняется существенным влиянием колебаний кузова и колес, возникающих при движении по неровностям дороги, почти на все эксплуатационно-технические характеристики автомобиля [80, 163, 172, 219]. Как известно, особенностью общей дорожной сети России является большая протяженность дорог с переходным покрытием и грунтовых. В этих условиях особенно велики прямые и косвенные потери на автотранспорте за счет недостаточной защищенности автомобилей от динамических воздействий неровной дороги. В работе [163] приводятся фактические данные, показывающие, например, увеличение расхода топлива почти в два раза, увеличение себестоимости перевозок более чем в два раза на грунтовых и переходных дорогах, по сравнению с перевозками по дорогам с усовершенствованным покрытием.

Проблеме плавности хода и подрессоривания автомобильных транспортных средств посвящены глубокие исследования отечественных и зарубежных ученых Я. М. Певзнера, Р. В. Ротенберга, И. Г. Пархиловского, H.H. Яценко, A.A. Хачатурова, С. Б. Цимбалина, A.A. Силаева, Е. Wedemeyer, A. Jante, Е. Marquard, М. Mitscke и др., трудами которых разработана современная теория колебания автомобиля и его подвески. Эффективное приложение этой теории развивалось затем как в направлении совершенствования конструирования подвески, так и в новом направлении — расчетов и оценки нагруженности основных агрегатов (трансмиссии, несущих систем, навесных устройств) в реальных условиях динамической перегрузки, а также построении теории и методов форсированных полигонных испытаний.

В работах ПБ. Аксенова, И. В. Балабина, С. Ф. Безверхого, В. А. Галашина, Л. Л. Гинзбурга, Я. М. Горелика, Г. Г. Гридасова, А. Д. Дербаремдикера, Р. П. Доброгаева, В. Н. Добромирова, В. П. Жигарева, С. К. Карцова, Н. Т. Катанаева, К. С. Колесникова,.

A.С.Кольцова, Г. М. Косолапова, Г. М. Кутькова, В. А. Петрушова, Ю. В. Пирковского,.

B.Ф.Платонова, А. А. Полунгяна, В. А. Савочкина, В. М. Семенова, И. С. Степанова, В. Е. Тольского, И. КУспенского, В. П. Шалдыкина, В. С. Щуплякова, Н. Braun, W. Hahn, F. Pradko, I. Reimpell, W. Vogel, R. Lee и др. решены многие важные вопросы действительной оценки рабочих процессов автомобиля, реальной нагруженности агрегатов и систем, расчета элементов подвески, ускоренных испытаний автомобильной техники в условиях колебаний автомобиля от воздействия неровной дороги. Благодаря этому, теория автомобиля как научная дисциплина значительно развита. Тесная связь переменных воздействий неровной дороги и возникающих колебаний, значительно приблизила методы проектирования подрессоривания и испытания новых моделей автомобилей к условиям реальной эксплуатации. Так, в настоящее время проектные расчеты подвески строятся исходя из рассмотрения колебаний автомобиля как составной части сложной системы человек-автомобиль-дорога (ЧАД). Современная технология полигонных испытаний базируется на основе оценки динамических нагрузок основных агрегатов автомобиля, в процессе его колебаний при движении по специальным неровным дорогам.

Однако необходимо признать, что теория колебаний и ее практические приложения не охватывают все эксплуатационные режимы движения автомобиля, в том числе и весьма ответственные при реальных автоперевозках. Это, прежде всего, относится к неустановившимся режимам, разгонам, притормаживаниям и экстренным торможениям. В современной теории колебаний автомобиля, динамической нагруженности его агрегатов и ее приложениях воздейстствие дороги, как основной источник внешнего возмущения системы, рассматривается в виде стационарных случайных процессов. Формирование таких возмущений и их численная оценка по данным измерения микропрофиля дороги предполагает равномерное поступательное движение автомобиля. Но известно, что режим равномерного движения составляет сравнительно небольшую часть ездового цикла — до 25% [64].

Поэтому расчет колебаний в таком режиме является определенным приближением к реальным условиям и степень этого приближения характеризуется относительной долей равномерного движения и интенсивностью изменения скорости на переходных участках общего пути, проходимого автомобилем. Можно ожидать, что расчеты колебаний в стационарном режиме не слишком отличаются от действительности в таких элементах ездового цикла как движение накатом, плавный с небольшим продольным ускорением разгон и плавное притормаживание.

Вместе с тем совершенно очевидно, что существующие методы исследования и оценки колебаний автомобиля на неровной дороге неприменимы без существенных уточнений и развития при движении в режиме торможения, в особенности экстренного торможения с полной блокировкой колес. Это объясняется не только тем, что для меняющего скорость автомобиля возмущающее воздействие дороги нельзя описать простым линейным преобразованием микропрофиля, как это сейчас принято, но также и существенным изменением эквивалентной автомобилю колебательной системы. Ведь при экстренном торможении появляются новые и весьма значительные внешние воздействия от дороги и большие инерционные силы, меняется внешняя механика автомобильных колес, и возникают новые внутренние упругие и инерционные связи.

Учитывая, что тормозные режимы движения автомобиля составляют значительную часть ездового цикла (известно, что в среднем при перевозках на неровных дорогах за 1 ч. движения производится 200−250 включений тормозов), а режим экстренного торможения является чрезвычайно ответственным в эксплуатации, освоение теории, методов расчета и экспериментальной оценки колебаний в этих режимах позволит существенно дополнить, если не замкнуть, круг эксплуатационных условий, отражаемых в системе ЧАД.

Решение задачи о колебаниях автомобиля, движущегося в режиме торможения, позволит значительно полнее использовать систему ЧАД как в совершенствовании расчетных способов оценки эксплуатационных свойств автомобиля, в развитии методов проектирования подвески и методов форсированных испытаний при переменных нагрузках, так и в смежных направлениях исследований устойчивости, управляемости и др.

Это определяет актуальность теоретических и экспериментальных исследований в представляемой работе.

Исследования колебаний автомобиля в условиях торможения имеют значение, прежде всего для двух практических направлений работы: а) совершенствование расчетных способов оценки эксплуатационных свойств автомобилей в реальных условиях эксплуатацииб) дальнейшее совершенствование методов испытаний, в особенности, форсированных на автополигонах.

Первое из этих наиболее важных направлений реализуется раньше всего в совершенствовании методов расчета подвески. Важность его определяется необходимостью качественного и количественного представления о возможных пробоях, отрывах шин от опорной поверхности при выбранных параметрах подрессоривания, что имеет существенное значение для оценки устойчивости (по условию отрыва колес от дороги), сохранности перевозимых грузов (по максимальным вертикальным ускорениям), безопасности движения в ответственном режиме экстренного торможения, особенно на неровных дорогах. Кроме того, это направление реализуется в уточненных оценках тормозной динамичности автомобиля и автопоезда в эксплуатации. Значение его не требует особых пояснений, так как в дорожной сети страны, как уже упоминалось, дороги с неровной поверхностью, где можно ожидать существенного влияния вертикальных колебаний на тормозной путь, составляют преобладающую часть, и особенно, в районах Сибири, на Севере и Дальнем Востоке. При этом, например, известно, что вероятность появления дорожно-транспортных происшествий, связанных с потерей сцепления в контакте колес автомобиля и дороги составляет 0,35−0,5 [120]. По данным исследований, приведенным в работе [61], число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) из-за выбоин и различных неровностей на дорогах составляет 35,1% от общего числа ДТП. Число ДТП, связанных с экстренным торможением, составляет 17% на сухой, 32% на мокрой и 72% на обледенелой дорогах [136]. Уже этим оправдывается поиск уточнения процессов эксплуатации.

Второе важное направление приложения намеченных исследований обусловлено тем, что все явления, сопровождающие экстренное торможение, теснейшим образом связаны с колебаниями его масс в вертикальной плоскости. Достаточно обратить внимание на такие очевидные обстоятельства как существенное повышение опасности действия продольного замедления на перевозимый груз при одновременно высоких вертикальных ускорениях платформы грузовых автомобилей, возникающих от движения по неровностям. Клевки и пробои в подвеске образуются при движении по неровной дороге с максимальным торможением гораздо интенсивнее, чем при равномерном движении по той же дороге. Отрыв шин от поверхности дороги и создание условий для потери устойчивости и заноса образуются при торможении на неровной дороге и колебаниях автомобиля гораздо интенсивнее, чем это следует из теории автомобиля при торможении на ровной дороге.

Необходимо подчеркнуть особо следующее. В настоящее время в методиках форсированных испытаний автомобилей на автополигоне все чаще используются режимы движения с большим количеством интенсивных и экстренных торможений (движение на маршрутах имитации режимов городских, междугородних и горных перевозок, форсированные испытания трансмиссий и др.). При стандартных испытательных пробегах по неровным специальным дорогам автополигона также достаточно часто осуществляется торможение. В этих режимах движения автомобиля, формируемые нагрузки на рессоры, мосты, рамы и другие агрегаты повышаются. Между тем теоретические методы количественной оценки загруженности несущих элементов разработаны только для условий колебаний автомобиля на неровных дорогах при движении с постоянной скоростью. Вследствие неизученности явлений колебаний при неравномерном движении, в расчетах эквивалентной повреждаемости несущих агрегатов при испытаниях не рассматривается даже крайне напряженные режимы, дающие значительные перегрузки — переходные режимы колебаний на неровной дороге при полном и резком затормаживании колес.

Несмотря на то, что совместное изучение колебаний автомобиля и его торможения на неровной дороге существенно расширяет возможности оценки эксплуатационных свойств, а в области теории — приближает рассматриваемые процессы воздействия внешней среды и управления к действительным, эксплуатационным, тем не менее, исследования начаты только в самое последнее время.

Изучение связи торможения и колебаний автомобиля ограничено главным образом оценкой угловых продольных кренов подрессоренных масс при приложении к колесам тормозных моментов во время движения по ровной опорной поверхности [60, 71, 80, 162, 163, 177 и др.]. Воздействия при этом на колеса неровностей дороги практически не рассматривались.

Фундаментальными работами, впервые осветившими вопросы стохастической изменчивости сцепления и, отчасти, ровности поверхности дороги в процессе торможения автомобиля, положившими начало новому подходу к оценке тормозной динамичности его с учетом случайных процессов изменения взаимодействия колес с опорной поверхностью, являются теоретические и экспериментальные исследования В. А. Иларионова и И. К. Пчелина [146, 147, 148, 149, 150]. В них наряду с теоретическими обоснованиями методов оценки действительных характеристик тормозной динамичности рассмотрены схемы и математические методы, дающие определенные основания для дальнейшего построения математической модели колебаний автомобиля при экстренном, с полной блокировкой колес, торможении на неровной дороге.

В работе [146] рассматривается процесс торможения автомобиля на ровной дороге, отличающийся от идеализированного процесса в теории автомобиля тем, что рассматриваются три последовательные фазы: 1 — от начала нарастания тормозного момента до полного одновременного блокирования колес одной из осей- 2 — между блокировкой колес первой и второй оси- 3 — движение в тормозном режиме со всеми заблокированными колесами. При этом построены развернутые уравнения динамики торможения для каждой фазы, базирующиеся на детерминированных характеристиках зависимости коэффициента сцепления от скорости движения и проскальзывания шины по дорожному покрытию. В расчетную схему нормальная упругость шин, подвески и ровность дороги не включаются.

Исследование в этой работе доведено до рабочих формул расчета показателей тормозной динамичности, применение которых иллюстрировано конкретным примером. Результаты математического анализа весьма наглядно подтвердили характер протекания процессов изменения пути, скорости и особенно замедления при торможении автомобиля, которые регистрируются обычно при испытаниях на ровной дороге и ранее объяснялись лишь умозрительно.

Проведенные расчеты по предложенным в этой работе формулам, позволили убедиться в их плодотворности и ориентироваться в уточнениях, даваемых ими по сравнению со стандартными формулами. Одно из них состоит в том, что для грузовых автомобилей при достаточно высоком быстродействии привода, первая и вторая фаза процесса сокращаются иногда до 0,06 — 0,1 общей протяженности пути и времени, хотя картина процесса остается неизменной. Вместе с тем с практической точки зрения использование предложенного метода расчета встречает серьезные трудности из-за недостатка опытных данных о сложной функции (р=(р (У^), выражающей зависимость коэффициента сцепления от скорости и проскальзывания шины в контакте с поверхностью дороги, а также значительной трудоемкости ее определения.

Некоторое представление о необходимом, для выяснения этой зависимости, объеме материала, который можно получить только из эксперимента, дает таблица частного случая ее построения, приведенная в работе [147], где рассмотрен процесс торможения автомобиля с противоблокировочными устройствами. Для расчетов в этой работе использованы те же основные предпосылки, что и в вышеприведенной работе [146]. В одной из последующих работ [148] использован иной подход к оценке тормозной динамичности автомобиля с учетом изменчивости коэффициента сцепления, который представляется случайной функцией от продвижения вдоль дороги. При заданных ограничениях, касающихся типа этой случайной функции и ее спектральных характеристик, теоретически исследованы возможные разбросы: тормозного пути — при заданной начальной скорости, и начальной скорости — при известном тормозном пути только лишь за счет случайной изменчивости коэффициента сцепления. При этом используется обычное уравнение тормозной динамики из теории автомобиля.

К сожалению, недостаточность фактического материала по спектральному анализу опытных данных о коэффициенте сцепления как случайной функции не позволяет объединить материалы исследований в этой работе с предыдущей. В рассматриваемой работе изменение коэффициента сцепления определяется как случайная функция от продвижения вдоль оси дороги без учета при этом скорости и относительного скольжения. Но некоторые положения предыдущей работы указывают на то, что корреляционная функция, лежащая в основе оценки отклонений математического ожидания и, следовательно, разброса показателей торможения, может существенно измениться от скорости и относительного проскальзывания шин в контакте с поверхностью дороги.

Кроме наглядного представления о возможных отклонениях действительных показателей тормозной динамичности только за счет случайной изменчивости коэффициента сцепления, в работе вскрываются и новые проблемы, в частности проблемы, связанные с необходимостью учета вертикальных колебаний масс автомобиля при определении непрерывно изменяющихся нормальных реакций в контакте колес с поверхностью дороги и, следовательно, непрерывно изменяющихся действительных значений тормозных сил.

Эта проблема нашла отражение в расчетной схеме, сформированной в работе тех же ученых [149]. Построенная в этой работе система дифференциальных уравнений движения автомобиля, учитывающая взаимодействие шин колес с опорной поверхностью в условиях случайных изменений, как коэффициента сцепления, так и ровности ее, а также возникающего при торможении проскальзывания с изменением скорости колес в контакте, использована для изучения тормозной динамичности автомобиля с противоблокировочными системами. Работа наглядно показала насколько сложно аналитическое описание движения автомобиля в этих условиях и, по существу, невозможность построения решения в общем виде. Конечное решение, описывающее процесс движения той или иной массы системы, получено при моделировании на ЭВМ только для конкретной реализации внешнего возмущения — изменения коэффициента сцепления и микропрофиля дороги. Вследствие этого для получения каких-либо статистических оценок движения системы необходим перебор решений для многих конкретных реализаций возмущающих функций, так или иначе отражающих случайные их характеристики.

Анализ показывает, что основная трудность получения решения системы дифференциальных уравнений движения, разработанных и показанных в работе [149], или получения статистических характеристик реакции представляемой ими механической системы через статистические характеристики внешнего возмущения, обусловлено нестационарностью рассматриваемого режима. Действительно, при использовании в качестве моделей возмущающих воздействий (изменчивого коэффициента сцепления и микропрофиля поверхности дороги) случайных стационарных функций продвижения вдоль дороги I, переход к естественному аргументу времени t на участке торможения разрушает модели. Это происходит вследствие непрерывно изменяющейся скорости движения во время торможения и, следовательно, непрерывного изменения частотного спектра возмущающих воздействий по сравнению с исходными данными, отвечающим скорости движения в начале торможения. При этом энергетический спектр возмущающих воздействий непрерывно меняется от начального выражения, соответствующего скорости Уа включения тормозов, вплоть до нулевого значения при остановке, когда У&bdquo-=0.

Следует заметить, что соблазнительный на первый взгляд способ преодоления этой трудности, состоящий в том, чтобы в уравнениях динамики системы перейти к дифференцированию переменных не по времени, а по пути (для того чтобы сохранить стационарность возмущения), не только сложен в формальном отношении, но и ничего не дает, так как тогда нестационарной становится сама колебательная система. Как известно, нестационарность случайного процесса возмущения непомерно осложнит решение прикладных задач, прежде всего тем, что никаких общих принципов и методик исследования реакции системы (даже в простейших случаях с сосредоточенными постоянными) на такое воздействие не имеется. Необходимо разрабатывать подходящие приближенные методы, учитывающие частные особенности нестационарности, позволяющие, в конечном счете, прийти в той или иной мере к эквивалентной композиции стационарных возмущений, действующих со стороны дороги. Это существенное затруднение в применении уже сложившихся методов исследования колебаний автомобиля при равномерном движении к случаю замедленного движения при торможении требует построения такой математической модели, которая одновременно и сохраняла бы традиционные схемы, используемые в теории плавности хода и подрессоривания, и вместе с тем включала бы особенности, позволяющие провести качественный и количественный анализ отличия процессов колебаний автомобиля при торможени.

Исходя из рассмотренного состояния вопроса, формулируются следующие цели и задачи представляемой работы.

1. Построить теоретическую модель колебаний автомобиля при торможении на неровной дороге. В теоретическом построении такой модели сохранить функциональные схемы подрессоривания, используемые в теории плавности хода и подвески автомобиля. Вместе с тем предусмотреть в модели возможность анализа процессов формирования колебаний, возникающих при случайных статистически заданных внешних воздействиях как микропрофиля неровной дороги, так и тормозного воздействия.

2. Найти способы решения теоретической модели, в наглядной форме показывающие особенности колебаний автомобиля при торможении в отличие от колебаний при равномерном поступательном движении его по той же дороге.

В разработке решения теоретической модели колебаний автомобиля при торможении предусмотреть возможность не только качественного анализа отличий колебательных процессов в этом режиме, но и расчета современными ЭВМ количественных характеристик колебательной системы, определяющих реакцию автомобиля на торможение во время движения по неровной дороге.

3. Разработать аналитические методы оценки колебаний автомобиля при торможении. При выборе необходимых упрощений сохранить подробность эквивалентной автомобилю колебательной системы в этом режиме на уровне, допускаемом при инженерном расчете плавности хода и подвески.

4. Пользуясь инженерными методами расчета и современными ЭВМ, построить характеристики колебательных процессов, иллюстрирующие отличие колебательной системы при торможении от эквивалентной системы, используемой при равномерном движении. В количественную оценку этих изменений включить основные параметры упругости, демпфирования и динамических взаимосвязей в новой колебательной системе, а также влияние изменчивости сцепления шин с поверхностью дороги при торможении.

5. Учитывая сложный характер нагружения колес при торможении автомобиля на неровной дороге, провести экспериментальные исследования внешней механики автомобильных пневматических шин при одновременном действии нормальных и тангенциальных сил.

В планировании и проведении этих исследований необходимо учитывать сложившуюся практику оценки реакции шин на различные воздействия как в статических стендовых условиях (без поступательного движения оси колеса и вращения его), так и в динамике при реальном качении колеса по ровной и неровной дороге.

6. Обоснованно сконструировать, построить и использовать специальное оборудование для экспериментальных исследований внешней механики автомобильного колеса и колебаний опирающейся на него массы в условиях сложного нагружения пневматической шины. В разработке оборудования для экспериментальных исследований предусмотреть методику не только последующего применения, но и методику возможно более точной оценки параметров колебательных систем, образуемых в разрабатываемых конструкциях. Одновременно разработать методические указания по использованию нового оборудования для последующих НИР кафедры и НИРС студентов в учебном процессе вуза.

7. Провести натурные экспериментальные исследования колебаний автомобиля при торможении на неровной дороге. Целью этих исследований предусмотреть выполнение сопоставимого анализа опытных результатов с результатами исследования по теоретической модели колебаний автомобиля.

8. Представить новые результаты развития научного направления теории автомобиля применительно к её разделам плавности хода, тормозной динамичности, а также технических решений, технологии форсированных испытаний, оценки устойчивости в режимах торможения на неровных дорогах.

9. Разработать методы использования результатов теоретических и экспериментальных исследований в решении задач инженерной практики.

Решение сформулированных задач отражают новизну теоретических и экспериментальных исследований в представленной работе.

ЧАСТЬ I. СТРУКТУРНО — ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ, ЭКВИВАЛЕНТНОЙ АВТОМОБИЛЮ ПРИ ТОРМОЖЕНИИОПЫТНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКСЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ.

И ПРОЦЕССОВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Проработка задачи исследования колебаний автомобиля в одном из ответственных и опасных режимов движения — торможении — показала актуальность и различные приложения ее решения в вопросах связанных с теорией автомобиля, проведением испытаний, проектированием подвески.

Постановка и формулирование задач исследования, являющихся новыми в теории плавности хода и подрессоривания автомобилей, определили план и программу работ в четырёх взаимосвязанных этапах. Первый состоял в построении теоретических моделей формирования исследуемых процессов колебаний. Основной особенностью этого этапа является выбор способа математического описания задачи с помощью объединения моделей, используемых в двух смежных разделах теории автомобиля: плавности хода и тормозной динамичности. Такое объединение отвечает физической сущности поставленной задачи, но, вместе с тем, усложняет ее математическое содержание. Достаточно заметить, что даже при допущении об инерционной несвязанности колебаний передней и задней части автомобиля, обычно используемом в теории подрессоривания и существенно упрощающем описание реакции эквивалентной автомобилю колебательной системы, торможение восстанавливает взаимосвязанность колебаний, а система дифференциальных уравнений, описывающих движение масс, повышается до четырех.

Теоретические исследования показали, что в рассматриваемых процессах существенную роль играют малоизученные изменения параметров и связи между воздействиями дороги на автомобильные колеса с пневматической шиной. Это, прежде всего, относится к параметрам упругости и демпфирования шин при одновременном приложении нормальной и тангенциальной нагрузок. Кроме того, структурные представления модели указали возможное возникновение обратных связей между процессами формирования этих нагрузок при колебаниях масс на заторможенных колесах. Выяснить значимость обнаруживаемых в теоретических моделях, новых явлений и соотношений параметров, прежде всего в тех элементах конструкции автомобиля, где формируются отличительные особенности внешнего воздействия — колесах с пневматическими шинами, — возможно только в непосредственных экспериментальных исследованиях. В этом и состоял второй этап решения поставленной задачи. Подготовка его выполнения потребовала создания экспериментальной базы, включая разработку технических условий, проектирование и изготовление нового оборудования для экспериментальных исследований колебаний автомобиля при торможении на ровной и неровной дорогах. Одновременно подбиралась и осваивалась аппаратура для измерений и регистрации опытных наблюдений, отрабатывались способы ее монтажа и соединений, тарировки, виброизоляции. Основная особенность этого этапа состояла в том, что для практического использования нового оборудования отрабатывались в ходе экспериментов методики не только постановки опытов, но и обработки результатов с помощью адекватных моделей.

Третий этап исследований выполнен как апробация результатов теоретических, лабораторно-дорожных, стендовых исследований, полученных в первом и втором этапах, на полнокомплектных автомобилях при испытаниях. Отличительная особенность исследований на этом этапе состояла в том, что наряду с экспериментальной проверкой основных результатов теоретического представления процесса колебаний автомобиля при торможении, в эксперименте наблюдались и основные следствия этих представлений.

Четвертый этап состоял в разработке практических методов использования полученных результатов при решении инженерных задач.

Последовательно выполненную работу можно резюмировать в следующих результатах и выводах.

1. Разработанные теоретические модели формирования колебаний автомобиля при торможении, основанные на объединении эквивалентных схем теории подрессоривания и тормозной динамичности, в достаточной степени адекватны наблюдаемым в эксперименте реальным процессам. Это относится к таким характеристикам колебаний автомобиля как перемещения и ускорения подрессоренных масс, прогиб подвески, притом и в качественном описании процессов, и в количественной оценке их с приемлемой точностью.

2. Теоретическая модель колебаний автомобиля (как развернутая, так и упрощенная) в виде системы дифференциальных уравнений движения подрессоренных и неподрессоренных масс раскрывает переходные неустановившиеся процессы при торможении на ровной и неровной дорогах, влияние на эти процессы начальных состояний автомобиля (смещения и скоростей масс) в момент включения тормозов, передаточные функции колебательной системы, эквивалентной автомобилю при поступательном движении на тормозящих колесах.

С помощью расчетов модели определяются оценки влияния на колебательные процессы при торможении параметров подрессоривания (прежде всего упругости и демпфирования), положения груза на платформе, коэффициента сцепления шин с опорной поверхностью. Отдельно рассматривается реакция автомобиля при торможении на обособленное воздействие случайной неровности, наезд на которую задними колесами особенно опасен в определенные моменты времени торможения.

Модель описывает также процесс непрерывного изменения тормозных сил в контакте шин с опорной поверхностью, формирующейся вследствие возникающих после включения тормозов колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс.

3. Выявленные в исследованиях с помощью теоретической модели особенности динамических процессов указывают на следующее общее положение: колебательная система, эквивалентная автомобилю после включения тормозов, гораздо чувствительнее к внешним воздействиям неровной дороги, чем система, эквивалентная поступательно движущемуся автомобилю на расторможенных колесах.

Это повышение чувствительности проявляется в повышении максимальных амплитуд колебаний масс в переходных процессах, повышении вертикальных ускорений масс, появлении дополнительных по сравнению с незаторможенным автомобилем новых резонансных режимов.

Так, например, у двухосного автомобиля грузоподъемностью 2 т, близкого по параметрам к автомобилю ГАЗ-66−11, амплитудно-частотная характеристика ускорений задней подрессоренной массы после блокировки колес тормозами на дороге с коэффициентом сцепления =0,7 содержит пять резонансных режимов на частотах 1,4- 4,75- 7,5- 10,6- 14 с" ' при значениях экстремумов 220- 247- 408- 298- 240 с'2 против двух значений 1,4 и 7 с~7 с экстремумами соответственно 188 и 330 с" 'у автомобиля с расторможенными колесами.

4. Разработанное, изготовленное и используемое оборудование для экспериментальных лабораторных и лабораторно-дорожных исследований характеристик работы автомобильного колеса с пневматической шиной, обеспечили получение новых опытных данных и представлений о соотношениях оценок отдельных параметров, определенных различными способами, а также о рабочих процессах шины при движении в условиях торможения и колебаний с сохранением силовых и кинематических связей колеса и опирающейся на него массы аналогичными установке его на автомобиле. При этом шинный крутильный стенд для исследования упругости и демпфирования шин при сложном нагружении в статическом и динамическом режимах (авторское свидетельство № 1 368 696), экспериментальный одноколесный полуприцеп (авторское свидетельство № 1 204 459), специальное самовыключающееся устройство для импульсного воздействия в контакте шины с дорогой (патент № 2 148 809), устройство для регистрации перемещений подрессоренных масс транспортных средств (приоритет изобретения от 16.07.1999 г. № 99 115 812/12 (16 488), решение о выдаче патента от 12.04.2001 г.) совместно с автомобилем-тягачом-лабораторией, нагружающими и сбрасывающими устройствами, тарировочными приспособлениями и регистрирующей аппаратурой образуют законченный комплекс, достаточный для планомерных исследований, определенных рассматриваемой темой и дальнейшего накопления опытных материалов.

5. Экспериментальные исследования шин на шинном крутильном стенде в режиме сложного нагружения тангенциальной силой и нормальной нагрузкой показали увеличение нормальной жесткости на 20.30% в сравнении с жесткостью, полученной при раздельном нагружении только нормальной силой.

Статические и динамические испытания шин диагональной конструкции (7,35−14 мод. ИД-195, 8,40−15 мод. Я-245) и радиальной (185Р-15 мод. Я-288) показали, что характеристики их нормальной и крутильной упругости при сложном нагружении отличаются только количественными показателями, закономерности изменения этих показателей при разных внутренних давлениях воздуха имеют общий вид. Это позволило при испытаниях ограничиться исследованием только одного типа шины.

Динамические испытания шины показали, что значения крутильной жесткости и коэффициента крутильного неупругого сопротивления значительно (соответственно в 1,4. 1,7 раза и в 3.4 раза) превосходят те же параметры, определенные при статических испытаниях. Обобщение многочисленных опытов отчетливо показывает, что изменение частоты крутильных колебаний на шине практически не влияет на оценку ее крутильной жесткостив то же время, при повышении частоты крутильных колебаний вдвое, коэффициент неупругого сопротивления кручению шины снижается до 30.40%. Обнаруженные отличия результатов статических и динамических испытаний дают ориентировку в практических расчетах, где используются параметры упругости и демпфирования шин, указывая какие следует иметь в виду поправки, если учитывать способ получения опытных материалов.

6. При испытаниях экспериментального полуприцепа в стендовой установке на заблокированном тормозом колесе при гармонически тангенциальном нагружении в контакте шины с опорной поверхностью обнаружены ранее не рассматривавшиеся колебания и вибрации массы, сосредоточенной на оси испытуемого колеса, интенсивность которых может быть высокой. Значимость этого явления определяется тем, что рассматриваемая система, обратима и эквивалентна системе, образующейся при качении ведущих колес автомобиля. Так как за счет колебательных свойств трансмиссии крутящий момент и, следовательно, тангенциальное воздействие в контакте шины с опорной поверхностью дороги могут совпадать с частотой системы «шина — неподрессоренная масса», возможно резкое нарастание колебаний моста в резонансном режиме.

Выполненные исследования показывают физическую природу такого явления и пути соответствующей виброзащиты при его возникновении. В частности, ослабление таких колебаний может достигаться смещением резонансной зоны или изменением параметра тангенциального воздействия конструктивными или эксплуатационными мероприятиями.

7. Обнаруженная при экспериментальных исследованиях изменчивость коэффициента сцепления по длине ровного участка дороги с асфальтобетонным покрытием носит ясно выраженный стохастический характер и оценивается статистически выборочными математическим ожиданием, дисперсией и корреляционной функцией. Эти оценки показывают, что в выбранных условиях изменчивость коэффициента сцепления не может вызвать тангенциального переменного воздействия, достаточного для возбуждения вынужденных вертикальных колебаний массы, опирающейся на шину заторможенного колеса.

Вместе с тем экспериментальные исследования колебаний массы на шине тормозящего колеса, движущегося на ровной дороге, и их теоретическое обобщение показывают возможность возникновения автоколебательного процесса. Вертикальные колебания опирающейся на шину массы вызывают изменение нормальной нагрузки, которая пропорционально изменяет тангенциальную силу в контакте. Нелинейная связь тангенциальной силы и вызываемого ею вертикального перемещения массы, при определенных кинематических соотношениях в системе, порождает самовозбуждение колебательного процесса и поддержание его за счет энергии поступательно движущегося автомобиля. При этом время установления автоколебаний массы на шине может быть меньше времени торможения до полной остановки.

Возможность возникновения такого опасного процесса, так же как и первоначальной перегрузки при экстренном включении тормозов, проверяется на этапе проектирования по предложенным математическим формулам.

8. Ходовые испытания экспериментального полуприцепа с переездом через обособленные синусоидальные неровности позволили оценить увеличение (на 20.30%) ускорений при колебаниях массы, сосредоточенной на оси заторможенного колеса, в сравнении с ускорениями при равномерном качении через эту же неровность. Такое изменение объясняется увеличением нормальной жесткости шины при торможении и подтверждает наблюдения, полученные при стендовых испытаниях шин. Из этого следует, что в расчетах колебаний автомобиля при экстренном торможении необходимо учитывать нормальную жесткость шины в сложном нагруженном состоянии, особенно, когда конечной целью расчета является оценка возможных ускорений надколесных масс.

9. При испытаниях полнокомплектных автомобилей вполне отчетливо проявляются представления о нормировании колебаний автомобиля при торможении, полученные в теоретических исследованиях и из опытов на специально созданном экспериментальном полуприцепе.

Испытания на ровной и неровной дорогах полноприводных автомобилей показывают, что в тормозном режиме плавность хода автомобиля существенно изменяется за счет повышения интенсивности колебаний. Так, при экстренном торможении на неровной булыжной дороге, по сравнению с равномерным движением без торможения, максимальные размахи колебаний передней подрессоренной массы автомобиля типа УАЗ-469 увеличиваются на 78,9%, задней на 78,6%- максимальные значения ускорений передней и задней подрессоренных масс увеличиваются на 50%- среднеквадратичные значения ускорений передней подрессоренной массы возрастают на 72,7%, задней на 61,1%. Одновременно изменяются и показатели тормозной динамичности за счет колебаний в этом режиме. Например, тормозной путь при экстренном торможения на неровных дорогах увеличиваетя на 25.30% по сравнению с торможением на ровной дороге, а время торможения на 13%. Причем существенным оказывается случайный разброс показателей, значительно выходящий за пределы допусков для результатов испытаний, предусмотренных соответствующими регламентирующими документами.

Теоретические модели этих негативных явлений и процессов показывают возможности их уменьшения или недопущения путем изменения параметров конструкции или при поверочных расчетах, или по результатам испытаний.

10. Рассмотренная теория, проведенные экспериментальные исследования, обоснованные методы обработки результатов показывают следующие преимущества новой унифицированной методики оценки характеристики колебательных процессов автомобиля и его подвески при испытаниях на импульсной неровности:

— единообразные для всех автомобилей условия кинематического возмущения колебаний масс, что обеспечивает сопоставимость результатов испытаний, как различных автомобилей, так и различных их эксплуатационных состояний;

— высокая реалистичность условий внешнего воздействия при испытаниях, соответствующая подавляющей массе кинематических воздействий на отечественных дорогах (с выбоинами, швами и т. п. неровностями) при эксплуатации АТС;

— возможность испытаний при одном и том же импульсном воздействии раздельно передней и задней подвесок;

— более простое определение передаточной функции подвески вне зависимости от выбора инженерной схемы эквивалентной системы, так как реакция на импульсное воздействие раскрывается по всему диапазону частот возможных кинематических воздействий;

— возможность проверки уровня взаимовлияния колебаний передней и задней подвесок при последовательном проезде одной и той же неровности передними и задними колесами в сравнении с колебаниями при проезде этой неровности колесами раздельно и независимо.

11. Разработанная модель аварийной ситуации при торможении автомобиля на неровной дороге позволяет определить скорость, предотвращающую столкновение или наезд автомобиля на препятствие или пешехода. При этом скорость определяется с использованием коэффициента сцепления и нормальной реакции, которые рассматриваются как случайные функции.

Полученная вероятностная модель аварийной ситуации при торможении позволяет статистически оценить как вероятность ДТП в заданных условиях, так и оценить сами условия на дороге по вероятности ДТП, а также сравнительно оценить конструкции автомобилей по обеспечению безопасности в аварийных ситуациях.

12. Проведенные эксперименты оценки реакции трансмиссии на гармоническое тангенциальное воздействие в контакте колес и результаты этих экспериментов, подтвердившие теоретические представления, позволили построить рациональную и экономичную методику испытаний трансмиссии на стенде, содержащем подкатные платформы.

13. Разработанная теория колебаний автомобиля при торможении расширяет теорию движения автомобиля и позволяет научно обоснованно оценить движение автомобиля в режиме торможения, а выполненные исследования и основанные на их результатах методы позволяют решать практические задачи, возникающие при проектировании, испытании и эксплуатации автотранспортных средств.

Полученные результаты использовались и используются: при расчете противоклевковых свойств легкового автомобиля ГАЗ-24−10 «Волга» — при проектировании новой модели легкового автомобиля ГАЗ-ЗЮ6.

Волга" - при разработке методик испытаний автомобилей на Центральном автополигоне;

— при экспертизе ДТП в г. Братске Иркутской области;

— при создании нового образца прицепа с внутриколесным подрессори-ванием для производства на ОАО «Красноярский завод прицепной техники» ;

— при чтении лекций, выполнении лабораторных и практических занятий по дисциплине «Автомобили», курсового и дипломного проектирования при подготовке инженеров специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» в Братском государственном техническом университете (БрГТУ).

Все созданное и укомплектованное экспериментальное оборудование внедрено, как постоянно действующий комплекс, в учебный процесс подготовки инженеров автомобильного профиля в Братском государственном техническом университете, а также широко используется в научно-исследовательской работе кафедры «Автомобильный транспорт» этого же высшего учебного заведения.

Основные положения диссертации и их использование направлялись на: развитие научного направления теории колесных машинрешение проблем повышения плавности ходаполучение реалистичной оценки и улучшение тормозной динамикиповышение безопасности автомобильной техники.