Совершенствование конструкционных параметров инерционно-фрикционного амортизатора подвески АТС

Демпфирующий элемент подвески автомобиля, сконструированный в виде телескопического гидравлического амортизатора, за последние 50 лет практически не изменился. Большинство вопросов по гашению вынужденных колебаний кузова автомобиля, то есть параметры виброзащиты (комфорта), связанные с плавностью хода, определяются его функциональными характеристиками.

Несмотря на своё массовое распространение, гидравлический амортизатор (ГА) обладает некоторыми недостатками, приводящими к ухудшению виброзащитных свойств подвески. Однако в профильной литературе отсутствует их классификация. К этому следует добавить, что в среде водителей существует чёткое стремление к высокому уровню ездового комфорта. Подавляющее большинство водителей, согласно проведённому в работе опросу, предпочли бы автомобиль с более совершенной подвеской тому, что эксплуатируют в данный момент.

Это говорит о том, что, во-первых, существующий уровень развития виброзащиты подвесок серийных автомобилей не удовлетворяет пользователейво-вторых, они позитивно реагируют на возможность выбора не только двигателя и трансмиссии, но и подвески своего автомобиля.

Эти выводы хорошо соотносятся с тем, что на автомобильный рынок в последнее время (с 2000 года) зарубежные фирмы-производители стали серийно выпускать модели автомобилей, у которых применяется активная подвеска, виброзащитные свойства которой выше чем у существующих подвесок.

Главным элементом такой подвески стал гидроамортизатор, преобразованный в упруго-демпфирующий модуль, связанный с электронным блоком управления. Однако такой симбиоз значительно усложнил конструкцию подвески в целом, снизил надёжность и увеличил её стоимость.

Другой путь решения указанной проблемы, представленный в научных разработках отечественных учёных, — переход от существующих нерегулируемых амортизаторов на саморегулируемые, без изменения упругих и направляющих элементов подвески.

В работах учёных И. М. Рябова, В. В. Новикова, К. В. Чернышева, А.С. Го-робцова рассмотрен амортизатор инерционного типа, реализующий принцип рекуперации энергии в цикле колебаний подвески АТС. Авторы утверждают, что данный тип амортизатора по своим виброзащитным свойствам превосходит обычный ГА и при этом имеет простую конструкцию. На основе этого принципа предложены две конструкции, которые получили название инерционно-фрикционных амортизаторов (ИФА). Они представляют собой простые механические устройства, поэтому их стоимость соизмерима со стоимостью существующих телескопических амортизаторов. Они не содержат каких-либо элементов электроники и дорогостоящих гидравлических приводов, что определяет малые затраты на их изготовление, установку и эксплуатацию.

В данной работе исследуются принципы работы различных конструкций ИФА, определяются параметры структурных элементов и их влияние на виброзащитные свойства подвески АТС.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе приводится экспертная оценка значимости свойств подвески для пользователей серийных легковых автомобилей, а также рассматривается влияние демпфирующего элемента подвески АТС (амортизатора) на некоторые основные эксплуатационные свойства автомобиля. Проводится анализ недостатков современных ГА, на основе которого приводится их классификация.

Исходя из рассмотренного материала, указываются направления по улучшению виброзащитных характеристик подвески АТС, существующие в настоящее время. В данном контексте рассматриваются уже известные две конструкции ИФАпроведён анализ их свойств, на основе которого обозначены требующие дополнительного исследования направления по созданию более компактных, функциональных и надёжных конструкций ИФА.

Во второй главе, опираясь на анализ устройства базовых конструкций ИФА, определяется его общая структурная схема, на базе которой создаются различные структурные схемы подвесок АТС с ИФА, на основе которых разрабатываются динамические модели подвески АТС с ИФА.

Введены оценочные показатели конструкции ИФА.

В третьей главе разрабатываются методики определения виброзащитных свойств колебательной системы в зависимости от параметров ИФА. Приведено описание установок для экспериментального определения виброзащитных свойств подвески АТС с использованием опытных образцов ИФА.

В четвертой главе излагаются расчётно-теоретические и экспериментальные исследования ИФА. Определяется влияние параметров структурных элементов конструкции на её функциональность в целом, а так же на виброзащитные свойства подвески АТС. Результаты, представленные в виде АЧХ, наглядно иллюстрируют большинство выводов, полученных в ходе исследования ИФА.

Экспериментальные исследования в настоящей работе представлены стендовыми испытаниями опытных конструкций ИФА и дорожными испытаниями одного из опытных образцов.

В пятой главе на основании анализа результатов проведённого исследования предлагаются различные конструкции ИФА с улучшенными, по сравнению с базовыми, свойствами. Проводится сравнение полученных вариантов ИФА по конструкционным критериям, таким как: габариты, масса, технологичность и надёжность.

Приводится методика определения параметров МПД ИФА с одноступенчатым червячным редуктором, позволяющим реализовать эффект дополнительного трения на маховике без дополнительных устройств за счёт потерь в передачеописание варианта задней подвески для грузового автомобиля с использованием червячного ИФА. Детально описывается новая конструкция реечного ИФА с внутренним зацеплением маховиковна предложенную конструкцию подана заявка на изобретение.

Разработана методика расчёта ИФА в зависимости от параметров подвески и характера нагружения.

В заключение работы даны общие выводы о выполнении задач исследования.

В приложениях к работе представлены: анкеты проведённого опроса среди водителей автомобилей, обзор подвесок серийно выпускаемых автомобилей отечественного производства, описание стенда для испытания шин и элементов подвески автотранспортных средств, расчёт фрикционного механизма ИФА (и других параметров и элементов конструкции, в частности определение параметров конструкции ИФА с ШВП), ЗО-изображения новых конструкций ИФА.

Проведённые исследования показали, что подвеска АТС с использованием улучшенных конструкций ИФА обладает высокими виброзащитными свойствамиразработанные варианты применения ИФА и методики определения параметров его структурных элементов позволяют создавать ИФА для различных подвесок современных АТСэто позволяет улучшить уровень существующих систем подрессоривания путём простой замены гидроамортизаторов на ИФА. * *.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю — д.т.н., профессору Рябову Игорю Михайловичу, который предоставил возможность заниматься интересным научным и полезным на практике исследованием вопроса повышения плавности хода автомобиля, быть продолжателем традиций конструкторской школы подрессоривания при ВолгГТУ, что не только почётно, но и весьма ответственно.

Автор пользуется случаем, чтобы поблагодарить друзей и коллег, содействовавших написанию диссертации, которые помогли многими полезными советами, вселили понимание и уверенность в значимости выполненной работы, в особенности, к.т.н. Константина Чернышева за участие в разработке математического аппарата диссертации и создании прикладной программы расчёта.

Автор рад продолжающемуся сотрудничеству с доцентом кафедры «АУ» к.т.н. В. В. Новиковым, который оказал практическое содействие в организации и подготовке лабораторных экспериментов опытных образцов ИФА.

Автор адресует слова благодарности работникам кафедры «Автомобильные перевозки» во главе с заведующим кафедрой д.т.н., профессором В. А. Гудковым за конструктивные замечания.

ВВ Воробьёв.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Согласно цели работы и поставленным задачам обобщим полученные результаты исследования.

1. Проведенная в работе оценка значимости свойств подвески для пользователей серийно выпускаемых легковых автомобилей показала, что потребители посчитали важными такие эксплуатационные свойства (в порядке убывания значимости), как скорость движения, плавность хода и проходимостьпри этом большинство при возможности выбора согласны с повышенными финансовыми затратами для получения более совершенной подвески. Составлена классификация недостатков гидравлических амортизаторов, согласно которой они делятся на конструкционные, эксплуатационные и функциональные. Системный анализ недостатков ГА позволил определить, что возможности их совершенствования практически исчерпаны.

2. Разработана общая структурная схема ИФА и шесть частных структурных схем подвески АТС с ИФА. Основное различие заключается в расположении муфты и характере обратных связей. Введены новые показатели для оценки различных ИФА: удельный ход штока, удельный поворот маховика, число оборотов маховика за полный ход рейки/сошки, коэффициент снижения частоты собственных колебаний, кинематический показатель МПД. Получены формулы, которые позволяют рассчитывать размеры маховика с учётом параметров МПД. Предварительный расчёт показал, что наибольшее влияние на функциональность ИФА и, как следствие, на виброзащитные свойства подвески оказывает радиус маховика, а также параметры МПД.

3. Разработаны математические модели двухмассовой колебательной системы, которые учитывают влияние скольжения в муфте ИФА, влияние дополнительного трения на маховике и несимметричность характеристики демпфирования (разные величины момента трения в зависимости от хода подвески).

4. Созданы два опытных (с разными вариантами МПД) образца ИФА и экспериментальные установки для их испытаний. Экспериментальные исследования в настоящей работе представлены испытаниями опытных конструкций ИФА на вибростенде и дорожными испытаниями одного из опытных образцов на автомобиле «ГАЗель» -ГАЗ-2705 при движении по участкам дорожного полотна сложного переменного профиля. Разработаны методики определения перемещений подрессоренной массы при стендовых испытаниях и виброускорений в салоне автомобиля.

5. Расчёты на динамических моделях выявили следующее:

— первостепенное влияние на работу ИФА и на его функциональные возможности оказывает момент трения муфты;

— явление скольжения во фрикционной муфте ИФА проявляется за зоной низкочастотного резонанса;

— значения момента трения муфты находятся в диапазоне от 5 до 25 Нм, в зависимости от случая нагружения;

— для каждого значения длины / рычага МПД существует оптимальное значение передаточного числа. Исходя из полученных результатов, рекомендуемый диапазон передаточного отношения 1Мпд от 7 до 20.

6. Стендовые испытания опытных конструкций ИФА наглядно показали, что использование в подвеске АТС данного типа демпфера существенно (в 1,5−2 раза) уменьшает амплитуды колебаний подрессоренной массы в зоне низкочастотного резонанса за счёт снижения частоты собственных колебаний на 25.40%. Дорожные испытания на автомобиле «ГАЗель» -ГАЗ-2705 показали, что при использовании в задней подвеске опытной конструкции ИФА средние величины виброускорений в салоне автомобиля уменьшались на 20.30% по сравнению со штатной подвеской.

7. На основании анализа результатов проведённых теоретических и экспериментальных исследований, с опорой на разработанные структурные схемы, предложены различные варианты конструкции ИФА, позволяющие устранить недостатки базовых конструкций. Это такие конструкции, как «ИФРА», реечный с внутренним зацеплением и червячно-реечный. Предложена общая методика расчёта конструкций ИФА, которая позволяет целенаправленно рассчитать конструкцию ИФА под заданные условия работы.