Повышение плавности хода автотранспортных средств внутренним подрессориванием колес

Актуальность темы

Характерной особенностью дорожной сети России является большая протяжённость дорог с неровной поверхностью. Движение транспортного средства по таким дорогам сопровождается непрерывными колебаниями, которые оказывают вредное воздействие на водителя, пассажиров и перевозимые грузы, ухудшают условия работы агрегатов и узлов. Кроме того, интенсивные колебания вызывают быстрое утомление водителя и вынуждают его уменьшать скорость движения, что существенно уменьшает производительность транспортного средства, а также препятствует полной реализации его эксплуатационных возможностей. Известно, что при эксплуатации транспортного средства на дорогах с неровной поверхностью средняя скорость движения уменьшается на 40−50%, межремонтный пробег на 35−40%, расход топлива увеличивается на 50−70%, производительность работы снижается на 35−40%, а себестоимость перевозок возрастает на 50−60% по сравнению с соответствующими показателями при работе на ровных дорогах.

Интенсивность возникающих колебаний определяет плавность хода транспортного средства. Высокие требования к плавности хода как одному из основных эксплуатационных свойств, обеспечивающему сохранность перевозимых грузов и комфортабельность водителя и пассажиров, определяют необходимость поиска новых путей совершенствования колебательных систем транспортных средств. Одним из таких путей является установка дополнительных упругих элементов между ободьями и ступицами колёс. Движители такой конструкции называются колёсами с внутренним подрессорива-нием. Обоснование использования колёс с внутренним подрессориванием в конструкции современных транспортных средств, обеспечивающих повышение плавности, хода, и как следствие, более высокую реализацию заложенных эксплуатационных свойств, является актуальным.

Объект исследования — колебательная система подвески транспортного средства с внутренним подрессориванием колёс.

Предмет исследования — плавность хода транспортного средства с внутренним подрессориванием колёс.

Цель работы — разработать научно обоснованную и конструктивно оформленную систему внутреннего подрессоривания колёс транспортных средств для повышения их плавности хода, а также оборудование и методы теоретического и опытного исследования эффективности конструкции.

Методика исследований включает.

1. Математическое моделирование динамической системы, эквивалентной подвеске транспортных средств с внутренним подрессориванием колёс, и теоретическое расчётное сопоставление выходных процессов этой модели с процессами в подвеске без внутреннего подрессоривания колёс.

2. Экспериментальная оценка параметров колебательной системы подвески с внутренним подрессориванием колёс и процессов колебаний масс и нагрузок на натурном образце транспортного средства с изготовленным и смонтированным внутренним подрессориванием комплектующих колёс в лабораторно-дорожных испытаниях.

3. Оценка эффективности внутреннего подрессоривания колёс по показаниям плавности хода транспортного средства.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель колебательной системы, эквивалентной подвеске транспортного средства с внутренним подрессориванием колёс.

2. Разработана конструкция и изготовлены образцы внутреннего подрессоривания колёс испытуемого транспортного средства серийного производства.

3. Предложена методика экспериментальной оценки параметров и частотных характеристик системы подвески с внутренним подрессориванием колёс в лабораторных и ходовых испытаниях натурного образца транспортного средства с использованием современных аналого-цифровых преобразователей и ЭВМ.

Практическая значимость.

Теоретическая разработка, конструктивное оформление, изготовление и исследования внутреннего подрессоривания колёс в системе подвески транспортных средств содержит техническое решение задачи повышения плавности хода, использование которого служит совершенствованию виброзащиты конструкции от воздействия неровностей дороги, экономической эффективности автотранспорта в эксплуатации. Методика расчётных и экспериментальных оценок параметров, характеристик и показателей плавности хода транспортных средств с внутренним подрессориванием колёс в системе подвески сокращает сроки и затраты на проектирование, испытания и доводку опытных образцов, что имеет существенное значение для экономики создания новых конструкций автомобильной техники.

Реализация результатов работы. Результаты исследований плавности хода автомобильного грузового прицепа КЗАП-8140 с внутренним подрессориванием колёс планируется использовать в Управлении конструкторских и экспериментальных работ ОАО «Красноярский завод прицепной техники» при создании новой модели автомобильного грузового прицепа. Разработанные математическая модель колебательной системЕл подвески транспортного средства с внутренним подрессориванием колёс, математическая модель на-гружения в процессе качения колеса с внутренним подрессориванием и методика экспериментального определения коэффициента неупругого сопротивления колёс с внутренним подрессориванием внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» в Братском государственном техническом университете.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

— XVIII, XIX, XX, XXI, XXII, XXIV (1997;2003 гг.) научно-технических конференциях Братского государственного технического университета;

— международной научно-практической конференции «Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития», посвященной 70-летию МАДИ (ТУ) (2000 г.);

— ОАО «Красноярский завод прицепной техники» (2002 г.);

— на кафедре «Автомобильный транспорт» Братского государственного технического университета (1997;2003 гг.);

— на кафедре «Автомобили» Московского государственного технического университета «МАМИ» (2003 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах. Технические решения защищены тремя патентами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 62 наименования и четырёх приложений. Работа содержит 150 станиц машинописного текста, 7 таблиц и 60 рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В результате выполнения диссертационной работы решены поставленные задачи, а последовательно выполненные разработки и исследования обобщаются в следующих положениях и выводах.

1. Разработана математическая модель колебательной системы подвески транспортного средства с внутренним подрессориванием колёс, позволяющая рассчитать ускорение и перемещение подрессоренной массы, прогиб упругих элементов и деформацию пневматических шин, динамические составляющие нагрузок, действующих на мосты и ободья колёс в движении по дорогам различной ровности.

2. Теоретические исследования по составленной математической модели показали, что установка колёс с внутренним подрессориванием вместо традиционных дисковых колёс на использованном для достоверной оценки результатов образце транспортного средства — автомобильном грузовом прицепе КЗАП-8140 позволяет:

— уменьшить максимальное ускорение подрессоренной массы прицепа более, чем на 21% с коэффициентом нормальной жёсткости колёс ск =290 кН/м и на 36% с коэффициентом нормальной жёсткости ск = 100 кН/м;

— уменьшить средние квадратические значения ускорений подрессоренной массы прицепа при ск = 100 кН/м при движении со скоростью 70 км/ч по цементобетонной динамометрической дороге Центрального автополигона НИЦИАМТ более, чем на 21% и при движении со скоростью 60 км/ч по булыжной дороге без выбоин на 39%;

— уменьшить прогиб упругих элементов подвески прицепа при ск =290 кН/м более, чем на 27%, что, в свою очередь, уменьшит вероятность удара моста об ограничители хода подвески при движении по неровной дороге;

— уменьшить деформацию пневматических шин колёс прицепа при ск =290 кН/м более, чем на 15%, что, в свою очередь, уменьшит вероятность отрыва колёс от поверхности дороги и повысит безопасность движения автопоезда;

— уменьшить динамические нагрузки на ось и колёса прицепа при ск =290 кН/м более, чем на 29%, что увеличит долговечность деталей и, как следствие, межремонтный пробег;

— эксплуатировать автомобильный грузовой прицеп КЗАП-8140 с коэффициентом нормальной жёсткости колёс с внутренним подрессоривани-ем ск = 100 кН/м без подвески как по цементобетонным, так и по булыжным дорогам без опасности повреждения кузова и перевозимых грузов.

3. Разработанная модель нагружения при качении колеса с внутренним подрессориванием позволяет определить оптимальное количество упругих элементов и неравномерность коэффициента нормальной жёсткости, а также выполнить расчёт упругих элементов. Расчётная неравномерность коэффициента нормальной жёсткости колеса с внутренним подрессориванием не превышает 8,3%, что, по результатам исследований проведённых в НАМИ, имеет место для пневматических шин с диагональным расположением нитей корда.

4. Для проведения экспериментальных исследований спроектированы и изготовлены натурные образцы колёс с внутренним подрессориванием для автомобильного грузового прицепа КЗАП-8140, а также определены их технические характеристики.

5. Разработан новый метод оценки коэффициента неупругого сопротивления колёс с внутренним подрессориванием по кривым сбрасывания и перемещениям надколёсной массы, регистрация которых осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя.

6. Экспериментальные исследования упругих и демпфирующих свойств колёсных движителей, а также плавности хода автомобильного грузового прицепа КЗАП-8140 с внутренним подрессориванием колёс показали, что:

— нормальная жёсткость изготовленных натурных образцов колёс с внутренним подрессориванием меньше на 37%, крутильная жёсткость меньше более, чем в пять раз, а угловая жёсткость практически не изменяется по сравнению с соответствующими параметрами стандартных колёс;

— разработанная математическая модель колебательной системы транспортного средства с внутренним подрессориванием колёс адекватно описывает колебательные процессы при движении по неровной дороге. Расхождение экспериментальных и теоретических значений не превышает 10,2% при оценке плавности хода по величине среднего квадратического значения виброускорения подрессоренной массы и 7,4% по величине максимального ускорения;

— неравномерность коэффициента нормальной жёсткости при квазистатическом качении колеса с внутренним подрессориванием в сборе с пневматической шиной автомобильного грузового прицепа КЗАП-8140 не превышает 4,4%.

7. В целом, теоретически обоснованная разработка конструкции, модели расчётов, опыт изготовления натурных образцов, исследования и испытания системы внутреннего подрессоривания колёс в подвеске полнокомплектного образца транспортного средства показали эффективность, техническую и технологическую возможность использования этого способа повышения плавности хода, виброзащитных характеристик подвески колёсных машин при их проектировании, изготовлении, испытаниях и доводке.