Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Применение полимерных композиционных материалов в системах подрессоривания колесных машин

# 06, июнь 2011
Файл статьи: О©╫О©╫О©...©╫_P.pdf (1099.72Кб)
авторы: Староверов Н. Н., профессор, д.т.н. Котиев Г. О., Смирнов А. А.

УДК: 629.373.3, 629.3.027.3

МГТУ им. Н.Э. Баумана

staroverov_nn@mail.ru

kotievgo@yandex.ru

smr_a@mail.ru.

Введение

Особый класс транспортных средств занимают вездеходные транспортные средства (ВТС), предназначенные для эксплуатации в регионах с отсутствующей сетью дорог, в том числе, в регионах Крайнего Севера по грунтам со слабой несущей способностью. Один из путей решения проблемы грузоперевозок в условиях бездорожья, движения по местности с высокими экологическими требованиями к неразрушению верхнего почвенного покрова состоит в разработке специальных ВТС на шинах сверхнизкого давления. При этом снижение снаряженной массы является одним из аспектов повышения их экономической эффективности. Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в системе подрессоривания ВТС в этом случае предоставляет ряд серьезных преимуществ.

Система подрессоривания автомобиля и демпфирование в ней должны обеспечить требуемые показатели плавности и безопасности движения и устойчивости на поворотах. Свойства самой подвески зависят от различных параметров и взаимодействия отдельных деталей, т. е. от типа и жесткости упругих элементов, стабилизаторов, шарниров рычагов, амортизаторов и их соединения, массы неподрессоренных частей транспортного средства и особенно от шин.

Часть I. Анализ динамики систем подрессоривания колесных машин и методы ее улучшения

Известен количественный показатель рациональной меры демпфирования в системе подрессоривания, установленный для широкого класса транспортных средств в различных дорожных условиях. На основе статистической обработки данных о показателях демпфирования систем подрессоривания коэффициент относительного рассеяния энергии в подвеске дорожных машин следует задавать из диапазона 0,2…0,3 [1, 5, 6, 8, 10, 11].

Проанализируем особенности подвески на шинах сверхнизкого давления. Для этого рассмотрим двухмассовую механическую систему, эквивалентную подвеске одного колеса КМ, изображенную на рисунке 1 [2, 5, 6, 8].

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image001.png

Рис. 1. Модель системы подрессоривания

Колебания масс системы описываются системой дифференциальных уравнений:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image002.jpg

где mП, mШ — массы подрессоренных и неподрессоренных частей, кг,
zП, zШ — перемещения подрессоренной и неподрессоренной масс, м,
kП, kШ — коэффициенты линейно-вязкого трения в подвеске и шине соответственно, Н•с/м,
сП, сШ — коэффициенты жесткости подвески и шины соответственно, Н/м,
q — заданное кинематическое возмущение, м.

Передаточные функции такой системы по перемещениям подрессоренной и неподрессоренной масс относительно возмущения описываются соотношениями:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image003.jpg

,

 

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image004.jpg

,

где zШ(s), zП(s), q(s) — преобразования Лапласа переменных zШ(t), zП(t), q(t) соответственно,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image006.jpg

Тогда передаточная функция по ускорениям подрессоренной массы относительно возмущения имеет вид:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image007.jpg

.

Передаточная функция по прогибу и скорости прогиба подвески имеют вид:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image008.jpg

,

 

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image009.jpg

.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) системы по виброускорениям подрессоренной массы, прогибу и скорости прогиба подвески описываются соотношениями:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image010.jpg

,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image011.jpg

,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image012.jpg

,

 

где

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image013.jpg

.

Среднеквадратические отклонения ускорения подрессоренной массы определятся соотношением:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image014.jpg

,

(1)

где Gq(ω) — спектральная плотность возмущения.

Задавшись предварительно жесткостью подвески, изменяем жесткость шины и коэффициент линейно-вязкого демпфирования в подвеске. Варьируя нагрузочные режимы от дорожной поверхности, получим по формуле (1) поверхности, изображенные на рисунках 2, 3, 4.

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image015.png

Рис. 2. Поверхность среднеквадратических отклонений виброускорений подрессоренной массы при движении по асфальтобетонному покрытию на шинах различной жесткости

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image016.png

Рис. 3. Поверхность среднеквадратических отклонений виброускорений подрессоренной массы при движении по грунтовой дорожной поверхности на шинах различной жесткости

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image017.png

Рис. 4. Поверхность среднеквадратических отклонений виброускорений подрессоренной массы при движении по грунтовой дороге на шинах различной жесткости

Анализ графиков показывает, что за счет использования мягких шин можно добиться снижения ускорений подрессоренной массы. Однако, слишком мягкие шины ухудшают показатели плавности хода. Чем более нагружен режим, тем менее выражено это влияние. Кроме того, введение в конструкцию большого показателя демпфирования может существенно ухудшить плавность хода КМ. Таким образом, возникают предпосылки отказаться от гидравлического амортизатора в пользу снижения массы конструкции и использовать гистерезисное демпфирование в подвеске. Для оценки правомерности такого перехода требуется оценить для каждого конкретного транспортного средства оптимальную меру демпфирования.

Часть II. Определение оптимальной меры демпфирования ВТС

Объектом исследования в данной статье является ВТС «ЗЭТ 6x6» (рисунок 5), разработанное в конструкторском бюро кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана в 2007 году по заказу компании ОАО «АВТОРОС» (http://www.technomag.edu.ru/adm/edit/www.z-project.ru). Технические характеристики ВТС приведены в таблице 1.

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image083.jpg

Рис. 5. Вездеходное транспортное средство 6x6 со стеклопластиковой четверть-эллиптической рессорой

Таблица 1 — Технические характеристики ВТС «ЗЭТ 6x6»

 

Наименование показателя

Значение показателя

1

Полная масса, кг

3500

2

Неподрессоренная масса одного колеса, кг

75

 

Моменты инерции ВТС

 

3

относительно продольной оси КМ x, кг·м2

1010

4

относительно поперечной оси КМ y, кг·м2

10012

5

относительно вертикальной оси z, кг·м2

10310

6

База, мм

2375

7

Ширина колеи, мм

1890

8

Расстояние от передней оси до центра масс ВТС, мм

2328

9

Полный ход подвески, мм

300

 

Шины «AVTOROS X-TRIM»

 

10

Наружный диаметр, мм

1240

11

Нормальная жёсткость шины, Н/м

125020

     

Цель расчета – определение оптимального приведенного к линейному коэффициента демпфирования в подвеске ВТС для обеспечения наилучших показателей плавности хода в эксплуатационных скоростях во всем диапазоне дорожных условий целевого региона эксплуатации.

Согласно ОСТ 37.001.275–84 «Автотранспортные средства. Методы испытаний на плавность хода» [12] параметры плавности хода автотранспортных средств (АТС) оцениваются при проезде по трем типам дорог, статистические характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Номенклатура и характеристики участков дорог автополигона НИЦИАМТ для испытаний на плавность движения АТС

Номер участка дороги

Вид дороги

Длина участка, м

Диапазон длин волн, м

Средние квадратические значения высоты неровностей, м

I

Цементобетонная   динамометрическая дорога

1000

0,40–40

0,6 ·10 -2

II

Булыжная мощёная дорога без выбоин

1000

0,25–25

1,1 ·10 -2

III

Булыжник с выбоинами

500

0,12–12

2,9 ·10 -2

Номера участков и скорости движения, при которых проводятся испытания на плавность хода полноприводных грузовых АТС приведены в таблице 3 в соответствие с ОСТ 37.001.291-84 «Автотранспортные средства. Технические нормы плавности хода» [13].

Таблица 3 — Скорости движения АТС при испытаниях на плавность движения

Номер участка дороги

Скорость движения АТС, км/ч

I

30, 50, 70

II

30, 45, 60

III

10–15

Согласно [3, 6, 9] статистические характеристики микропрофиля дорожной поверхности задаются дисперсией высот микропрофиля и общим аппроксимирующим выражением нормированной корреляционной функции вида:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image019.jpg

,

(2)

где Ai, αi – коэффициенты, характеризующие степень нерегулярности микропрофиля,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image020.jpg

;

βi – коэффициент, характеризующий узкополосность случайной функции микропрофиля поверхности дороги. Параметры, входящие в общее аппроксимирующее выражение нормированной корреляционной функции, для каждого типа дорог приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Значения коэффициентов аппроксимации корреляционной функции микропрофиля поверхности дорог

╧ участка дороги

Дисперсия
высот микропрофиля Dq·104, м2

A1

A2

α1

β1

α2

β2

м –1

I

0,36

1,000

0

0,15

0

0

0

II

1,21

1,000

0

0,45

0

0

0

III

8,41

0,850

0,150

0,15

0

0,20

2,00

Определение параметров качества системы подрессоривания происходит при решении динамической задачи расчета вертикальных и продольно-угловых колебаний ВТС в частотной области. Расчетная схема задачи представлена на рисунке 6. Параметры динамической системы, показанные на рисунке 6, с расшифровкой обозначений и принятыми значениями приведены в таблице 5.

Система дифференциальных уравнений, описывающих движение системы, имеет вид:

Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image021.jpg

(3)

Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image022.png

Рис. 6. Расчетная схема динамической задачи плоского движения ВТС по неровностям

Таблица 5 — Параметры динамической системы

Обозначение параметра

Наименование параметра

Значение

mПМ

Масса подрессоренной части ВТС, кг

3050

Jy

Момент инерции относительно поперечной оси, проходящей через центр масс, кг·м2

10011,67

m

Масса неподрессоренной части оси, кг

150

cП

Приведенный к колесу коэффициент жесткости подвески оси (для двух рессор), Н/м

74366,8

сШ

Приведенный к колесу коэффициент жесткости шин оси (для двух колес), Н/м

250039,3

kШ

Приведенный к колесу коэффициент демпфирования шин оси (для двух колес), Н·с/м

1580

l1

Расстояние от центра масс до передней оси, м

2,328

l2

Расстояние от центра масс до средней оси, м

–0,047

l3

Расстояние от центра масс до передней оси, м

–2,422

Применив к уравнениям системы (3) преобразование Лапласа и учитывая выражение для прогиба подвески:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image023.jpg

,

получим систему линейных уравнений:

Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image024.jpg

Учет запаздывания возмущения на средней и задней осях вводится аналогично [5, 6].

Для определения передаточных функций используется матричный метод решения систем линейных уравнений. Матрица системы M имеет вид:

Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image025.jpg

где

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image026.jpg

.

При этом вектор переменных, соотвествующих столбцам матрицы M имеет вид

(z0, φ0, z1, z2, z3).

Столбец свободных членов:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image027.jpg

,

 

где

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image028.jpg

,

 

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image029.jpg

,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image030.jpg

— времена запаздывания возмущений для средней и задней осей,

V — скорость движения ВТС.

В результате решения системы линейных уравнений станут известны передаточные функции:

·         передаточная функция вертикальных перемещений подрессоренной массы относительно возмущения,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image031.jpg

,

  • передаточная функция продольно-угловых перемещений подрессоренной массы относительно возмущения,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image032.jpg

,

  • передаточная функция вертикальных перемещений i-го колеса относительно возмущения,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image033.jpg

,

Передаточная функция прогиба подвески i-й оси определится соотношением:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image034.jpg

.

Передаточная функция прогиба шин i-й оси определится соотношением:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image035.jpg

.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), полученные из передаточных функций обозначим:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image036.jpg

— АЧХ вертикальных виброускорений подрессоренной массы относительно возмущения,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image037.jpg

— АЧХ продольно-угловых ускорений подрессоренной массы относительно возмущения,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image038.jpg

— АЧХ прогиба подвески i-й оси относительно возмущения,

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image039.jpg

— АЧХ прогиба шин i-й оси относительно возмущения.

Согласно [1,2] спектральная плотность возмущения задается выражением:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image040.jpg

,

 

где

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image041.jpg

нормированная спектральная плотность возмущения, полученная из аппроксимирующего выражения нормированной корреляционной функции вида (2) после интегрирования и замены θ = ω / V.

Случайные процессы, характеризующие выход упругого устройства на режим ограничителя хода и отрыва колеса от дороги, имеют нормальный закон распределения, поэтому вероятности возникновения указанных режимов можно оценить с использованием функции распределения вероятностей:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image042.jpg

.

Величины, характеризующие качество системы подрессоривания, определятся соотношениями:

·         дисперсии вертикальных ускорений подрессоренной массы:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image043.jpg

,

  • дисперсии продольно-угловых ускорений подрессоренной массы:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image044.jpg

,

  • вероятность пробоя подвески i-й оси:

Описание: D:\Наука и образование 1\data\image045.jpg

,

    Описание: D:\Наука и образование 1\data\image046.jpg

    ,

    • вероятность отрыва колес i-й оси от дорожной поверхности:

    Описание: D:\Наука и образование 1\data\image047.jpg

    ,

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image048.jpg

      .

      Целевую функцию оптимизационной задачи определения необходимой меры демпфирования зададим в следующем виде:

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image049.jpg

      .

      (4)

      где

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image050.jpg

      — дисперсии вертикальных ускорений подрессоренной массы при движении в i-х дорожных условиях с j-й скоростью;

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image051.jpg

      — дисперсии продольно-угловых ускорений подрессоренной массы при движении в i-х дорожных условиях с j-й скоростью;

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image052.jpg

      — вероятность пробоя подвески k-ой оси ВТС при движении в i-х дорожных условиях с j-й скоростью,

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image053.jpg

      ,

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image054.jpg

      — вероятность отрыва колес k-ой оси ВТС при движении в i-х дорожных условиях с j-й скоростью,

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image055.jpg

      ,

      ai,j, bi,j,k, ci,j,k, γi — весовые коэффициенты.

      В задаче ищется минимум целевой функции.

      Значения весовых коэффициентов bi,j,k, ci,j,k при значениях соответствующих им вероятностей, не выходящим за допустимые уровни, равны 0. В остальных случаях, они задаются равными единице. Допустимые уровни вероятностей выбросов ускорений за допустимые пределы, отрыва колес от дороги и пробоя подвески зададим равными 5%, т.е.

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image056.jpg

      ,

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image057.jpg

      ,

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image058.jpg

      .

      Коэффициент γi определим равным вероятности движения машины в i-х дорожных условиях, т.е. равным ее относительному пробегу в этих условиях. Относительные пробеги автомобиля устанавливаются в соответствии с ОСТ 37.001.472–88 «Приемочные испытания. Типовая программа» [14]. Принятое распределение приведено в таблице 6.

       

      Таблица 6 — Распределение пробегов ВТС «ЗЭТ 6x6» по ОСТ 37.001.472-88

      Виды дорог

      Распределение пробега, %

      Дороги с усовершенствованными покрытиями

      1

      А) дороги общего пользования и (или) скоростная дорога автополигона

      10

      2

      Б) городские дороги и (или) имитация городского движения на дорогах автополигона

      0

      3

      В) горные дороги или горный маршрут автополигона

      5

      Дороги с переходными покрытиями

      4

      Булыжные дороги общего пользования в удовлетворительном состоянии и (или) булыжная дорога автополигона с булыжным мощением

      25

      Дороги с низшими покрытиями, без покрытий и местность:

      5

      А) грунтовые дороги общего пользования в удовлетворительном состоянии и (или) грунторавнинная дорога автополигона (в т.ч. заснеженные укатанные дороги)

      30

      6

      Б) грунтовые разбитые дороги (с колеями и выбоинами) в сухом или замерзшем состоянии

      15

      7

      В) грунтовые дороги размокшие, заснеженные неукатанные, снежная целина, супычий песок, допускающие движение автомобиля без застревания

      15

      Движение по булыжнику с выбоинами, соответствующему типу III дорог согласно таблице 2 примем эквивалентным движению по дорогам с низшими покрытиями, без покрытий и местности по таблице 6. Тогда распределение относительных пробегов по типам дорог таблицы 2 приведено в таблице 7.

      Таблица 7 — Относительные пробеги ВТС «ЗЭТ 6х6»

      Номер участка дороги автополигона
      НИЦИАМТ

      Установленный относительный пробег для ВТС «ЗЭТ 6х6», %

      I

      15

      II

      25

      III

      60

      Весовой коэффициент ai,j принят для учета фактической возможности движения ВТС в i-х дорожных условиях с j-й скоростью. Определим его как относительный пробег в i-х дорожных условиях с j-й скоростью.

      Экспериментально установлено, что изменение скорости движения КМ для дорожных условий нашей страны приближенно можно описать нормальным законом распределения [4]. Считая среднюю скорость движения в i-х дорожных условиях равной:

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image059.jpg

      ,

      а среднее квадратическое отклонение скорости:

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image060.jpg

      ,

      для всех скоростей, кроме максимальной экспериментальной, определяем квантили нормального распределения:

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image061.jpg

      ,

       

      характеризующие разности

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image062.jpg

      в долях среднего квадратического отклонения

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image063.jpg

      .

      По формуле

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image064.jpg

      для каждого yi,j находим площадь под той частью кривой нормального распределения, которая расположена левее координаты Vi,j.

      Считаем, что разность ai,j двух смежных значений Ф(yi,j) и Ф(yi,j-1) равна относительному пробегу на скорости близкой к j-й в i-х дорожных условиях. Для j = 1 принимаем Ф(yi,j-1) = 0. Относительный пробег на максимальной экспериментальной скорости равен:

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image065.jpg

      .

      Значения коэффициента ai,j приведены в таблице 8.

      Остальные весовые коэффициенты определяются следующими зависимостями:

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image066.jpg

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image067.jpg

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image068.jpg

       

       

      Таблица 8 — Значения весового коэффициента ai,j

      j

      Скорость движения, км/ч,

      Типы дорожных условий, i

      I

      II

      III

      1

      5

      0,003

      0,003

      0,010

      2

      10

      0,004

      0,004

      0,039

      3

      15

      0,007

      0,007

      0,115

      4

      20

      0,012

      0,012

      0,217

      5

      25

      0,020

      0,020

      0,264

      6

      30

      0,031

      0,031

      0,207

      7

      35

      0,045

      0,045

      0,148

      8

      40

      0,061

      0,061

      0

      9

      45

      0,077

      0,077

      0

      10

      50

      0,092

      0,092

      0

      11

      55

      0,101

      0,101

      0

      12

      60

      0,104

      0,104

      0

      13

      65

      0,100

      0,100

      0

      14

      70

      0,090

      0,090

      0

      15

      75

      0,076

      0,076

      0

      16

      80

      0,060

      0,060

      0

      17

      85

      0,044

      0,044

      0

      18

      90

      0,030

      0,030

      0

      19

      95

      0,043

      0,043

      0

      Оптимизация проводится в пакете математических программ Mathworks MATLAB в наборе инструментов Optimization Toolbox (Оптимизация). Из-за особенностей реализации поиска значений целевой функции был выбран прямой симплексный метод (Нелдера–Мида). Условие сходимости было выполнено за 46 итераций.

      Поверхности, заданные функциями:

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image069.jpg

      ,

      (5)

      входящими в состав целевой функции (4) под знаками суммирования без поправок на относительных пробегах в каждом режиме, построены на рисунках 7, 8, 9.

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image070.png

      Рис. 7. Поверхность функции (5) при движении в дорожных условиях типа I

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image071.png

      Рис. 8. Поверхность функции (5) при движении в дорожных условиях типа II

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image072.png

      Рис. 9. Поверхность функции (5) при движении в дорожных условиях типа III

      График целевой функции с точками, полученными в результате работы оптимизационного алгоритма, приведен на рисунке 10.

      Определенное в результате оптимизационного алгоритма значение

      kП = 2822,31150 Н·c/м

      относится к оси, а значит, для подвески одного колеса значение оптимального демпфирования составит

      kП1 = 1411,15575 Н·с/м.

      Коэффициент относительного затухания колебаний, соответствующий полученному линейному коэффициенту демпфирования в подвеске, составит

      Описание: D:\Наука и образование 1\data\image073.jpg

       

      .

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image074.png

      Рис. 10. График целевой функции

      Полученный показатель коэффициента относительного затухания колебаний меньше рекомендованного в [1, 5, 6, 8, 10, 11], что дает предпосылки к оценке гистерезисного демпфирования, которое может предоставить рессора, выполненная из ПКМ с межлистовым материалом-заполнителем.

      Часть III. Анализ применения ПКМ в упругих и упругодемпфирующих элементах систем подрессоривания КМ

      Перспективной областью применения высокопрочных полимерных композиционных материалов является изготовление элементов систем подрессори­вания колесных машин. Преимуществами элементов ходовой части из ПКМ являются снижение массы, повышение долговечности ходовой части, а снижение массы неподрессоренных частей ходовой части увеличивает плавность хода, уменьшает нагрузки на несущую систему автомобиля.

      Первые работы по применению ПКМ в производстве листовых рессор были проведены в 1960-х годах в США [15, 16, 17]. Созданная рессора из ПКМ была:

      • легкой, прочной и долговечной (имея высокую потенци­альную энергию деформации);
      • экономичной в изготовлении;
      • стойкой к воздействию факторов окружающей среды.

      Для выполнения этих требований был специально разработан материал Liteflex, представляющий собой композицию из непрерывных стеклянных волокон и связующего на основе эпоксидной смолы. Предварительно были проанализированы различные составы, имеющие арматуру в виде стеклянных, уг­леродных, органических, борных волокон, а в качестве связующих — эпоксидные, полиэфирные, фенольные компоненты и различные термопласты. Однолистовая рессора из этого материала (рисунок 11), установленная в задней подвеске легкового автомобиля «Chevrolet Corvette» в 1981 году, имела массу 3,6 кг и заменяла пакет из 10-ти листов поперечно расположенной металлической рессоры массой 18,6 кг. Схема независимой подвески с поперечной рессорой используется на Corvette до сих пор.

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image075.jpg

      Рис. 11. Рессора Chevrolet Corvette из материала Liteflex

      Поперечная рессора из композитного материала также использовалась или используется в следующих моделях автомобилей:

      1. в задней подвеске Volvo 960 (только в модели универсал), Volvo S90, V90 (рисунки 12);
      2. в передней подвеске автомобилей Mercedes-Benz Sprinter 1995 модельного года (рисунок 13);
      3. платформы W General Motors (Lumina, Grand Prix, Regal, Cutlass Supreme);
      4. платформы E General Motors (Eldorado, Toronado, Riviera, Reatta, Allante);
      5. Mercedes Smart ForTwo (в настоящее время устанавливается рычажно-телескопическая подвеска).

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image076.jpg

      Рис. 12. Стеклопластиковая рессора автомобилей Volvo

       

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image077.jpg

      Рис. 13. Передняя подвеска автомобиля Mercedes-Benz Sprinter (1995)

      В результате многочисленных исследований в США, Англии, Франции, Германии, Японии, СССР и других странах бы­ло установлено, что рессоры из ПКМ имеют ряд преимуществ по сравнению с металлическими:

      1. снижение массы на 50...80 %;
      2. повышение коррозионной стойкости в различных средах эксплуатации;
      3. отсутствие межлистового трения и, как следствие, повыше­ние комфортабельности, снижение шума;
      4. повышение долговечности в 3–5 раз, снижение коэффици­ента замены и ремонта;
      5. медленное разрушение рессоры за счет постепенного раз­рушения армирующих волокон (а не мгновенный излом, как при разрушении металлической рессоры);
      6. возможность создания принципиально новой конструкции подвески.

      Недостатки рессор из ПКМ – это структурная неоднород­ность материала и недостаточная стабильность параметров технологического процесса изготовления, приводящая к значительному рассеянию механических свойств ПКМ, достигающему 15...20 % относительно средних значений. К недостаткам рессор из ПКМ также относят их малую по­перечную жесткость (в три раза меньше, чем у стальных рессор), которая приводит к необходимости увеличения их ширины в полтора раза. Кроме того, стеклопластики имеют в 10 раз меньшую, чем у стали, жесткость при кручении, что объясняется однонаправленной ориентацией армирующих волокон.

      Возможны также конструкции рессор, выполненных из нескольких листов. Например, патент ╧ 4468014 (США, 1982 г.) описывает конструкцию рессоры, состоящей из многослойной композиции, каждый элемент которой представляет собой пластиковый лист, закрепленный между двумя стальными листами (рисунок 14).

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image078.jpg

      Рис. 14. Конструкция многолистовой рессоры из ПКМ, форсированной стальными листами

      Многими исследователями [19, 20, 21] предлагался вариант листовой рессоры из КПМ с гибридными волокнами, т.е. сочетание стеклянных волокон с углеродными (или другими), а также применение волокон различного диаметра (патент ╧ 2125329 – Англия). При этом в зоне наибольших напряжений сжатия и растяжения (наружные слои) располагают углеродные волокна, а в средней части, где напряжения меньше,– стеклянные волокна или другой менее прочный материал (патент ╧ 4688778 – США, рисунок 15).

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image079.jpg

      Рис. 15. Конструкция трехлистовой рессоры из ПКМ

      Применяя гибридные волокна, можно получать различный «эффективный» модуль упругости EЭ [19], что как раз и важно при «вписывании» рессоры из КПМ в подвеску серийно выпускаемого автомобиля взамен металлической.

      С позиции применения ПКМ в качестве демпфирующих материалов в системе подрессоривания автомобилей конструктивных решений, нашедших широкое применение, нет. Однако следует отметить несколько изобретений, касающихся совместного использования ПКМ и материалов с высокой степенью поглощения энергии колебаний в виброизоляторах. Например, патент ╧ 4278726 (США, 1979 г.) описывает конструкцию демпфера, представляющего собой слоистую структуру, состоящую как минимум из одного жесткого неэластичного слоя и слоя вязкоупругого материала. Жесткий слой может быть выполнен из пластика, усиленного различными волокнами, а в качестве вязкоупругого материала может выступать вулканизируемый эластомер, усиленный пучками скрученных волокон (например, стальных). Между слоями может находится слой-связка из стеклопластика или другого аналогичного ПКМ (рисунок 16).

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image080.jpg

      Рис. 16. Вязкоупругий многослойный демпфер

      Патент ╧ 4716986 (США, 1988 г.) описывает различные конструкции демпферов, состоящих из композиции материалов с различными мерами пластических деформаций. Демпферы могут иметь различную форму и структуру (рисунок 17).

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image081.jpg

      Рис. 17. Различные конструкции вязкоупругих демпферов

      Существует также конструкция вязко-упругого амортизатора, представленная на рисунке 18, приведенная в патенте ╧ 4026534 (США, 1977 г.). Амортизатор состоит из нескольких слоев вязкоупругого материала с тонкими листовыми пружинами между ними.

      Описание: D:\Наука и образование 1\Data\image082.jpg

      Рис. 18. Конструкция вязкоупругого амортизатора

      Фирма Bertin провела сравнительные дорожные испытания задней подвески из КПМ собственной конструкции и серийной (торсионной) подвески на автомобиле одной и той же модели. Уровень воздействия со стороны дороги в автомобиле с новой подвеской оказался значительно ниже, управляемость на поворотах – лучше. Особенно хорошо автомобиль показал себя при движении на участках дороги с ухабами и неровностями, на поворотах дороги – из-за того, что поперечная рессора из КПМ противодействует крену автомобиля. Применение данных подвесок облегчает техническое обслуживание и ремонт, замена ее осуществляется значительно проще, чем торсионов.

      Применение КПМ в качестве демпфирующих элементов систем подрессоривания позволяет в некоторых случаях отказаться от гидравлического амортизатора. Преимуществами такого конструктивного решения станет лучшая характеристика демпфирования системы подрессоривания при высокочастотном возмущении, отсутствие жидкости, накладывающей ограничения на температурный диапазон, снижение снаряженной массы и массы неподрессоренных частей автомобиля.

       

      Выводы

      Проведенный анализ показал, что ПКМ применяются в составе систем подрессоривания КМ в качестве упругих и направляющих устройств в тех случаях, когда требуется снижение снаряженной массы.

      Для рассматриваемого класса транспортных средств, передвигающихся по грунтам со слабой несущей способностью с малыми скоростями на шинах сверхнизкого давления с меньшими показателями нормальной жесткости, оптимальное значение меры демпфирования оказывается меньше обобщенного среднестатистического показателя. Незначительной меры демпфирования в ПКМ, примененном в системе подрессоривания такого транспортного средства, может оказаться достаточно.

      В дальнейшем, на примере ВТС «ЗЭТ 6x6», предлагается разработать методику прогнозирования вязкоупругих свойств и механического поведения листовых рессор из ПКМ. Для этого необходимо решить следующие задачи:

      1. разработать математическую модель вязкоупругого поведения рессоры под нагрузкой;
      2. провести верификацию и определить степень точности математической модели сравнением с экспериментальными исследованиями;
      3. разработать метод определения вязкоупругих свойств рессоры в составе системы подрессоривания ВТС;
      4. разработать методику определения качества системы подрессоривания с упругодемпфирующими элементами в частотной области и при имитационном моделировании;
      5. разработать нелинейную пространственную имитационную модель ВТС с упругодемпфирующими элементами системы подрессоривания для решения широкого спектра задач, решение которых невозможно в частотной области и требующих учета нелинейных свойств направляющего устройства системы подрессоривания.

       

      Библиографический список:

      1. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля. – М., Машиностроение, 1972. – 392 с.
      2. Колебания автомобиля. Испытания и исследования / под ред. Я.М. Певзнера. – М.: Машиностроение, 1979. – 208 с.
      3. Проектирование полноприводных колесных машин: в 3-х кн. / под ред. А.А. Полунгяна. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – Т.1. – 2008. – 496 с.
      4. Проектирование полноприводных колесных машин: в 3-х кн. / под ред. А.А. Полунгяна. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – Т.2. – 2008. – 528 с.
      5. Проектирование полноприводных колесных машин: в 3-х кн. / под ред. А.А. Полунгяна. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – Т.3. – 2008. – 432 с.
      6. Жеглов Л. Ф. Спектральный метод расчета систем подрессоривания колесных машин: учеб. пособие / Л Ф. Жеглов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2009.– 150 с.
      7. Савочкин В.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин / В.А. Савочкин, А.А. Дмитриев. – М.: Машиностроение, 1993. – 320 с.
      8. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель / А.А. Хачатуров, В.Л. Афанасьев, В.С. Васильев, Г.В. Гольдин, Б.М. Додонов, В.П. Жигарев, В.И. Кольцов, В.С. Юрик, Е.И. Яковлев; под ред. А.А. Хачатурова. – М. : Машиностроение, 1976. – 535 с.
      9. Котиев Г.О. Комплексное подрессоривание высокоподвижных двухзвенных гусеничных машин / Г.О. Котиев, Е.Б. Сарач. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. баумана, 2010. – 184 с.
      10. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Амортизаторы, шины и колеса / под ред. О.Д. Златовратского; пер. с нем. – М.: Машиностроение, 1986. – 320 с.
      11. Reimpell J. The Automotive Chassis: Engineering Principles. – Butterworth-Heinemann, 2001. – 444 с.
      12. ОСТ 37.001.275–84 «Автотранспортные средства. Методы испытаний на плавность хода». – М.: НАМИ, 1984. – 25 с.
      13. ОСТ 37.001.291-84 «Автотранспортные средства. Технические нормы плавности хода». – М.: НАМИ, 1984. – 30 с.
      14. ОСТ 37.001.472–88 «Приемочные испытания. Типовая программа». – М.: НАМИ, 1988. – 15 с.
      15. Corvette’s composite leaf spring will weight 80 percent Less // Production. – 1980. – April. – С. 67.
      16. Corvette leaf spring: [Электронный ресурс]. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Corvette_leaf_spring. (Дата обращения: 22.02.2011).
      17. Lamm, Michael. The Newest Corvette / Lamm, Michael: [Электронный ресурс]. URL: http://temp.corvetteforum.net/c4/gcrouse/Suspension/fiberglass_spring.gif. (Дата обращения 22.02.2011).
      18. Афанасьев, Б.А. Проектирование элементов подсистем автомобиля из композиционных материалов / Б.А. Афанасьев, И.З. Даштиев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 136 с.
      19. Полилов А.Н. Особенности расчета композиционных листовых рессор / А.Н. Полилов, В.А. Савельев // Машиноведение. – 1988. – ╧1. – С. 35-41.
      20. Савельев В.А. Композиционные материалы для листовых рессор // Автомобильная промышленность. – 1987. – ╧3. – С. 29-31.
      21. Тимофеева С.Д. Полимерные композиционные материалы в автомобилестроении (обзор) // Пластические массы. – 1990. – ╧9. – С. 78-87.
      Поделиться:
       
      ПОИСК
       
      elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
       
      ЮБИЛЕИ
      ФОТОРЕПОРТАЖИ
       
      СОБЫТИЯ
       
      НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



      Авторы
      Пресс-релизы
      Библиотека
      Конференции
      Выставки
      О проекте
      Rambler's Top100
      Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
        RSS
      © 2003-2020 «Наука и образование»
      Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
       Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)