Влияние характеристик амортизаторов на вертикальные колебания автомобиля при установившемся режиме движения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ.

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

КАФЕДРА: «АВТОМОБИЛИ И ТРАКТОРЫ»

Дипломный проект на тему:

«Влияние характеристик амортизаторов на вертикальные колебания автомобиля при установившемся режиме движения»

Тольятти 2004

В данном дипломном проекте теоретически исследовано влияния нелинейной характеристики амортизатора на колебания автомобиля, проведен сопоставительный анализ влияния различных комплектов амортизаторов на вертикальные и продольно-угловые колебания автомобиля, выполнена оптимизация характеристик амортизатора, проработаны вопросы защиты интеллектуальной собственности, безопасности и экологичности проекта.

Основными устройствами, защищающими автомобиль от динамических воздействий дороги, вызванных ее неровностями, и сводящими колебания и вибрации к приемлемому уровню, являются подвеска и шины.

Многолетний опыт показывает, что неровности дороги и вызываемые ими колебания кузова и колес автомобиля ведут, как правило, к ухудшению всех его эксплуатационно-технических качеств и к тем большем, чем хуже качество дороги.

Есть два способа борьбы с этими факторами — это строительство дорог с усовершенствованным покрытием и улучшение качества подвески. Оба направления дополняют друг друга, так как строительство дорог — процесс длительный и дорогостоящий. Кроме того, всегда требуются автомобили повышенной проходимости, которым необходима совершенная подвеска.

Из всех выше перечисленных факторов следует, что необходимо постоянно усовершенствовать подвеску.

Подвеской автомобиля называют совокупность устройств, связывающих колеса с рамой (кузовом) и предназначенных для уменьшения динамических нагрузок, передающихся автомобилю вследствие неровной поверхности дороги, а также обеспечивающих передачу всех видов сил и моментов, действующих между колесом и рамой (кузовом).

Разнообразные силы взаимодействия колеса и дороги можно свести к трём составляющим: вертикальной Z, продольной X, поперечной или боковой У (рис. 1). Передача этих сил и их моментов осуществляется через детали подвески. Подвеска автомобиля состоит из трёх устройств: упругого, гасящего и направляющего.

Рис. 1

Упругое устройство служит для уменьшения динамических нагрузок, обусловленных главным образом действием вертикальных составляющих Z. В некоторых случаях через упругое устройство могут передаваться и другие составляющие сил взаимодействия колеса и дороги. Наличие упругого устройства подвески вызывает колебания кузова и колёс автомобиля. Эти колебания должны происходить при определённых силах сопротивления (при затухании). Детали подвески, обуславливающие затухание колебаний кузова и колёс автомобиля, относятся к гасящему устройству подвески. Передача продольной и поперечной составляющих X и Y, а также моментов этих сил происходит через направляющее устройство подвески, определяющее также характер движения (кинематику) кузова и колёс автомобиля.

Все три устройства в значительной мере влияют на вертикальные колебания автомобиля. В связи с тем, что жёсткость подвески определяется из условия, что бы собственная частота колебаний автомобиля не была близка к собственной частоте колебания внутренних органов человека, а конструкция направляющего устройства зачастую предрешает компоновка, то из этого следует, что характеристики этих составляющих в значительной мере закреплены, и они не могут меняться в широком диапазоне. Следовательно остаётся один более обширный путь к оптимизации подвескиэто оптимизация характеристик амортизатора. Еще один плюс данного предположения, что этот путь также более выгоден с точки зрения экономики, так как изменение характеристик амортизатора не повлечет существенных изменений в их конструкции.

Следовательно из сделанных ранее предположений вытекает, что необходимо создавать методики для подбора характеристик амортизатора при различных требованиях к параметрам движения (спорт, повышенный комфорт и т. д.).

Задачи исследования

1. Разработать программу на ЭВМ для расчетов параметров, характеризующих движение автомобиля по дорогам с различным покрытием.

2. Изучение влияния нелинейной характеристики амортизатора на колебания автомобиля.

3. Провести оптимизацию характеристик амортизатора.

1. Исследование колебаний подвески с нелинейной характеристикой амортизатора

1.1 Расчетная динамическая модель автомобиля

Автомобиль представляет собой колебательную систему, состоящую из нескольких масс — кузова, колес, двигателя, кабины и др., связанных между собой упругими связями и демпферами. Эти массы делят, прежде всего, на подрессоренные и неподрессоренные. Подрессоренной частью автомобиля являются все его элементы, вес которых передается упругому устройству подвески. Те элементы, сила тяжести которых не передается через упругое устройство подвески, называют неподрессоренными элементами автомобиля. Таким образом, подрессоренными элементами автомобиля являются кузов и рама с укрепленными на ней механизмами, а не подрессоренными — колеса в сборе с осями (мостами).

Для исследования вертикальных колебаний автомобиля выбрана четырехмассовая система с пятью степенями свободы.

Дифференциальные уравнения второго порядка, описывающие поведение динамической модели, составлены с помощью уравнений Лагранжа второго рода. Уравнения движения получены при следующих допущениях:

· Колебания кузова и колес малые;

· Характеристика всех элементов линейна, кроме амортизаторов;

· Оси масс автомобиля совпадают с главными осями эллипсоида инерции;

На автомобиль действуют только вертикальные силы, а горизонтальная плоскость проходит через центр тяжести кузова. Данная модель имеет пять степеней свободы, и её колебания описываются следующей системой дифференциальных уравнений второго Порядка:

Рис. 2

где:

· м1-неподрессоренная масса передней оси автомобиля;

· м2- неподрессоренная масса задней оси автомобиля;

· мподрессоренная масса автомобиля;

· Jамомент инерции подрессоренной массы относительно поперечной оси автомобиля, проходящей через центр его масс;

· м5- масса сидения с водителем;

· С1 и К1 -жесткость и коэффициент демпфирования передних шин;

· С2 и К2- задних шин;

· С3 и К3- передней подвески;

· С4 и К4- задней подвески;

· С5 и К5- сидения автомобиля;

· l-база автомобиля ;

· l1 и l2- расстояние от центра масс до передней и задней осей автомобиля;

· l3- расстояние от центра масс автомобиля до крепления сидения;

· z1- вертикальное перемещение неподрессоренной массы передней оси автомобиля;

· z2-задней оси автомобиля;

· zвертикальное перемещение центра масс автомобиля;

· aугол поворота подрессоренной массы относительно центра масс автомобиля;

· z5- вертикальное перемещение человека.

Характеристики амортизаторов являются нелинейными и будут аппроксимироваться в виде кусочно-линейных функций.

Для численного решения уравнений их необходимо преобразовать в систему уравнений первого порядка. С этой целью произведём замену переменных:

Получаем:

Возмущающая функция q (микропрофиль дороги) задаётся в виде массива чисел с достаточно мелким шагом.

1.2 Составление уравнений с помощью уравнений Лагранжа второго рода

Составляем систему уравнений следующим образом:

Кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

где

Берем, т.к. угол мал и

Т.к. в системе есть сила пропорциональная скорости перемещения, то пользуемся трансцендентной функцией:

Проводим преобразования для составления уравнений Лагранжа:

Подставляем полученные выражения в уравнения Лагранжа:

2. Исходные данные

Для численных расчетов были взяты следующие данные, близкие к параметрам автомобиля Chevrolet-Niva:

жёсткость переднего колеса_ 195 000.0 Н/м жёсткость заднего колеса_195 000.0 Н/м

жёсткость передней пружины_26 000.0 Н/м

жёсткость задней пружины_26 000.0 Н/м

жёсткость сидения_25 000.0 Н/м

коэффициенты демпфирования:

передних колёс₂₅₀.0

задних колёс₂₅₀.0

передних амортизаторов:

на ходе отбоя:

до открытия клапана_ 2070.0

после открытия клапана_1120.0

на ходе сжатия:

до открытия клапана₂₉₀.0

после открытия клапана₁₈₀.0

скорость открытия клапана

переднего амортизатора:

при отбое₀.105 м/с

при сжатии_-0.2 м/с

коэффициенты демпфирования

заднего амортизатора:

при отбое до открытия клапана_5150.0

при отбое после открытия клапана_2725.0

на ходе сжатия до открытия клапана₇₃₀.0

на ходе сжатия после открытия клапана₄₅₄.0

скорость открытия клапана

заднего амортизатора:

при отбое₀.105 м/с

при сжатии_-0.2 м/с

коэффициент демпфирования сидения_1000.0

передняя неподрессоренная масса₉₆.0 кг

задняя неподрессоренная масса₁₂₀.0 кг

масса водителя₇₅.0 кг

подрессоренная масса_1655.0 кг

момент инерции_1700.0 кг*м²

расстояние от центра масс:

до передней оси₁.117 м

до задней оси₁.333 м до сидения водителя₀.075 м скорость проезда₄₄.4444 м/с

3. Методика исследований

Для теоретического исследования был применён метод, позволяющий изучать колебания сложных нелинейных систем с помощью ЭВМ.

Для численного решения уравнений Лагранжа был применён одношаговый метод Рунге-Кутта четвёртого порядка точности. Его сущность состоит в том, что таблица приближенных решений в каждый текущий момент времени вычисляется по значениям решения в предыдущей точке по формулам:

где Где — правые части уравнений Лагранжа.

При исследовании стационарных установившихся колебаний находятся вероятностные характеристики (дисперсия) этих процессов, необходимые для оценки плавности хода автомобиля.

Демпфирующие характеристики амортизаторов взяты реальные линейно-аппроксимированные.

Для исследований микропрофиль дорог был взят с шагом:

Асфальт-0,25 м Булыжник -0,125 м Для решения дифференциальных уравнений была разработана программа на языке программирования Turbo Pascal 7.0 разработанная программа и её блок схема приведена в приложении 1.

В блоке 1 блок-схемы происходит ввод исходных данных.

В блоке 2 все данные парных элементов умножаются на два.

Блок 3 выводит на экран, информацию о том что надо сделать, чтобы выбрать тип дороги.

Блок 4 ожидание ввода числа соответствующего типу выбранной дороги, после ввода числа блоки 5,6,7,8 задают тип дороги и её параметры.

Блоки 9, 10,11,12,13 задают начальные условия движения.

Блоки с14 по 45 производят решение системы уравнения численным методом Рунге-Кутта. Здесь блок 14 задает цикл для последовательного нахождения последующих решений. В блоке 15 вспомогательным переменным присваиваются значения реальных величин. Цикл 16,17,18,19 задаёт значения известных точек решения. В 20 блоке происходит обращение к подпрограмме pr (z2) которая вычисляет правые части системы уравнений. В блоке 21 происходит отыскание вертикальных и углового ускорений. Блоки 22,23,24,25,26 организуют цикл для отыскания коэффициентов и значения функций, необходимых для отыскания последующих коэффициентов. Блоки с 28 по37 работают аналогично. Блок 38 выводит в текстовый файл значение времени 39,40,41,42,43,44 организуют цикл для отыскания приближённого решения последующих значений параметров вертикальных колебаний и ввод их в текстовый файл. Блок 45 определяет значение времени, возмущения дороги для последующего решения.

После выхода из цикла блоками с 46 по 63 обеспечивается отыскание статистических характеристик вертикальных вибраций.

Нелинейная характеристика амортизатора реализована в подпрограмме блок схема. Блок 1 находит значение скорости перемещения штока амортизатора относительно корпуса. В блоке 2 проверяется условие, какова эта скорость, больше нуля или меньше. В зависимости от этого программа отсылает значение на проверку следующего условия, больше или меньше относительная скорость скорости открытия клапана. В зависимости от этого коэффициенту к₃ присваивается соответственное значение. Блоки 9,10,11,12,13,14,15,16 работают аналогично, но для задней подвески. Блоки 17,18,19 находят правые части системы уравнений.

3.1 Реализация нелинейной характеристики амортизатора

Рис. 3

Нелинейная демпфирующая характеристика амортизатора аппроксимировалась функцией от относительных скоростей ««, «» (рис.3). Здесь для задания вида характеристики нужны 6 параметров: коэффициенты демпфирования к_1, к₂, к₃, к₄ и точки перелома w₁, w₂. В процедуре программы задан блок определяющий усилие амортизаторов в зависимости от этих параметров и относительной скорости.

3.2 Варьируемые характеристики

Дисперсии ускорений и деформаций рассчитаны по вышеуказанной программе для следующих вариантов характеристик амортизатора, скорости движения, нагрузки автомобиля и типа дорог.

Нагрузка менялась m=1655 кг и m=2000 кг

3.3 Сравнительный анализ полученных результатов

По результатам расчётов были построены зависимости параметров вертикальных колебаний от характеристик амортизаторов в передней и задней подвесках, от скорости движения автомобиля и его загрузки.

В качестве критерия оценки плавности хода принята дисперсия вертикальных ускорений испытываемых водителем. Из графиков (рис. 3) наблюдаются следующие закономерности. При движении по асфальту дисперсии ускорений возрастают с увеличением скорости движения автомобиля от 60 км/ч до 100 км/ч, после чего они выходят примерно на постоянный уровень. Это можно объяснить тем, что время между возбуждениями сокращается и подвеска больше не способна отрабатывать все неровности. Возрастание же дисперсий при скорости движения до 100 км/ч объясняется тем. Что воздействие микропрофиля так же увеличивается, а время на его отработку достаточно высокое.

Из этого графика также видно, что комплект амортизаторов с более высокими сопротивлениями (спорт) увеличивает уровень виброускорений по сравнению с остальными амортизаторами. Это объясняется тем, что воздействие микропрофиля начинает передаваться в большей степени через амортизатор, чем через пружину.

При движении автомобиля по булыжнику его скорость менялась от 30 км/ч до 60 км/ч, при этом были отмечены следующие закономерности. До скорости 40 км/ч интенсивность нарастания дисперсий низкая, в некоторых случаях амортизаторов (спорт и монро) наблюдается даже спад уровня виброускорений примерно на 10% от уровня при скорости движения автомобиля 30км/ч, после же 40 км/ч интенсивность виброускорений начинает резко возрастать. Падение уровня при использовании амортизаторов спорт и монро, можно объяснить тем, что у них характеристики имеют большие сопротивления. За счет высоких сил сопротивления амортизаторы не дают кузову разогнаться, но с увеличением скорости движения эти амортизаторы начинают передавать всё большие возмущения от микропрофиля и за счёт этого далее снова наблюдается резкое возрастание виброускорений. следует отметить, что у амортизаторов с большими сопротивлениями как и в случае с асфальтом наблюдается и более высокий уровень виброускорений. У автомобиля оснащенного комплектом стандартных амортизаторов наблюдается сразу резкое повышение виброускорений с увеличением скорости движения. Это можно объяснятся тем, что у стандартного варианта самая высокая из предложенных комплектов амортизаторов разница между характеристиками передних и задних амортизаторов.

На графиках показаны зависимости виброускорений передней оси от скорости автомобиля при движении по асфальту. Можно отметить, что с увеличением скорости движения дисперсии ускорений возрастают по примерно пропорциональной зависимости. При этом самый низкий уровень виброускорений наблюдается у амортизаторов спорт, а самый высокий у автомобиля с амортизаторами СааЗ. Это можно объяснить тем, что стандартный амортизатор обладает минимальным сопротивлением по отношению к другим, и соответственно он создаёт меньшую силу сопротивления перемещению, в ситуации с амортизатором спорт всё аналогично противоположно.

В случае движения автомобиля по булыжнику отмечаются практически те же зависимости.

Задняя подвеска показывает те же зависимости от скорости движения по дорогам с различным покрытием, что и передняя.

Если рассмотреть влияние характеристик амортизаторов на деформацию передней и задней подвесок можно отметить следующее. Деформация увеличивается по мере увеличения скорости движения автомобиля, так как при увеличении скорости нагрузки, передаваемые на подвеску увеличиваются и соответственно подвеска, где установлен более «жесткий» амортизатор деформируется меньше, а та в которой установлен «мягкий» амортизатор деформируется в большей мере. Это характерно, как для передней, так и для задней подвесок, как при движении по булыжнику, так и при движении по асфальту.

Рассмотрим влияние исследуемых характеристик амортизаторов на колебания автомобиля при изменении нагрузки. Из графиков видно, что при увеличении нагрузки на автомобиль плавность хода улучшается, так как кузов автомобиля становится более инерционным, и чтобы его «раскачать» нужны большие нагрузки. Это характерно как при движении по асфальту, так и при движении по булыжнику.

Дисперсии ускорения осей практически не изменились, что можно объяснить тем, что ускорения осей в большей степени зависит от характера микропрофиля дороги и массы самой оси.

Деформация задней подвески увеличилась с возрастанием нагрузки на автомобиль. Деформация передней подвески возросла в меньшей степени, чем задней. Деформация возросла из-за увеличения нагрузки.

В заключении анализа проследим влияние характеристик амортизатора на плавность хода автомобиля.

При движении по асфальту лучшим образом с точки зрения плавности хода показал себя комплект амортизаторов делфи, то есть уровень виброускорений при использовании этих амортизаторов минимален. Это объяснимо оптимальным подбором характеристик амортизаторов передних и задних. Сумма коэффициентов демпфирования до открытия клапанов на ходе отбоя передних и задних амортизаторов этого комплекта минимальна. Особняком здесь стоит стандартный вариант. Сумма его коэффициентов демпфирования ещё меньше, но уровень виброускорений немного выше. Это можно объяснить тем, что из-за большой разницы коэффициентов демпфирования передней и задней оси угловые ускорения кузова в продольном направлении возрастают, следовательно, возрастут и виброускорения на сидение водителя.

Наихудшее влияние на плавность хода автомобиля показал комплект амортизаторов спорт, то есть уровень виброускорений передаваемых водителю максимален из всех исследуемых амортизаторов. Следует отметить, что сумма его коэффициентов демпфирования до открытия клапана на ходе отбоя является максимальным из всех комплектов. Это объяснимо тем, что виброускорения передаются уже в большей степени через сам амортизатор, а не через пружину.

Автомобиль с комплектом амортизаторов плаза отличается повышенными виброускорениями, в сравнении с амортизаторами монро и сакс. Это можно объяснить более высокими коэффициентами демпфирования после открытия клапана на ходе отдачи. Это предположение оправдывается тем, что уровень виброускорений на автомобиле с комплектом плаза начинает превышать уровень виброускорений на автомобили с комплектами монро и сакс, после скорости движения 90км/ч, что говорит о том, что амортизатор всё чаще начинает работать на клапанном режиме.

На булыжном покрытие лучшим образом показал себя автомобиль с комплектом делфи, так как у него самая минимальная сумма коэффициентов демпфирования на ходе отбоя в дроссельном режиме работы амортизатора.

Стандартная комплектация проявляет себя плохим образом. Это объяснимо тем, что профиль дороги более не ровен и «грубее» в сравнении с асфальтом, и соответственно «раскачка» кузова усиливается, то есть появляется большая составляющая виброускорения от продольного углового ускорения кузова. Наихудшие показатели обнаружились у комплектации спорт. По причине аналогичной, что и при движении по асфальту.

Следует отметить поведение автомобиля с комплектацией монро. Из-за низких коэффициентов демпфирования в клапанном режиме, нарастание виброускорений, с возрастанием скорости движения автомобиля происходит самым низким образом из всех комплектаций.

Все остальные комплектации ведут себя практически так же как и при движении по асфальту.

Вывод

подвеска амортизатор автомобиль демпфирование В результате выполнения курсового проекта были:

1. Разработана динамическая модель, автомобиля позволяющая исследовать вертикальные колебания автомобиля в различных эксплуатационных условиях,

2. Разработана программа для проведения расчёта и нахождения решений системы уравнений описывающих динамическую модель,

3. Выявлены влияния различных характеристик амортизатора на колебательные параметры автомобиля.

4. Выявлено, что сточки зрения плавности хода и безопасности движения, лучшими являются амортизаторы делфи и монро.