|
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ
Шилов Андрій Іванович
УДК 629.3.027.3 + 629.3.054.29
ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСА КЕРУВАННЯ ПНЕВМАТИЧНОЮ ПІДВІСКОЮ АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ
Спеціальність 05.22.02 – Автомобілі та трактори
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі автомобілів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: Лауреат державної премії України, кандидат технічних наук, професор Клименко Валерій Іванович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедрою автомобілів
Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Юрченко Анатолій Миколайович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри системотехніки та діагностики транспортних засобів
Кандидат технічних наук, доцент, Дущенко В'ячеслав Васильович, Харківський національний технічний університет “ХПІ”, доцент кафедри колісних і гусеничних транспортних засобів
Провідна установа: Інститут машин і систем НАН України та Міністерства промислової політики України, м. Харків
Захист відбудеться "30" жовтня 2002 р. о “12.00” год. на засіданні спеціалізованої вченої ради ВАК України Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:
61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (м. Харків, вул. Петровського, 25).
Автореферат розіслано "28" вересня 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор ______________ В.О. Богомолов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Вдосконалення підвіски АТЗ має важливе значення, тому що якість підресорювання не тільки визначає плавність ходу, але і значно впливає на інші експлуатаційні показники автомобіля: такі, як стійкість, прохідність, надійність, довговічність, витрата палива і т.д. Швидкість руху автомобіля по нерівних дорогах звичайно обмежується не запасом потужності двигуна, а якістю підвіски. Таким чином, недостатня плавність ходу веде до загального зниження продуктивності автомобільного транспорту.
Однією з найбільш перспективних є пневматична підвіска, яка у даний час застосовується на автобусах, тролейбусах і деяких великовантажних автомобілях. Застосування пневматичної підвіски на цих транспортних засобах забезпечує підвищення плавності ходу в порівнянні з підвісками з лінійними пружними елементами (ресорними, пружинними, торсіонними) і зниження динамічного ходу підвіски. Регульована пневматична підвіска дозволяє підтримувати постійний рівень підлоги АТЗ при зміні статичного навантаження, що також сприяє зменшенню динамічного ходу.
Слід відзначити також тенденцію зниження рівня підлоги міських автобусів, обумовлену вимогою комфортабельності входу і виходу пасажирів на зупинках. Подальше зниження рівня підлоги досягається вдосконаленням регулювання пневматичною підвіскою під час руху АТЗ.
Актуальність теми. Україна є однією з найбільших виробників і постачальників у СНД міських і приміських автобусів. Однією з причин низької конкурентноздатності українських автобусів на світовому ринку є високий рівень підлоги кузова. В даний час ОАО "Укравтобуспром" змушено закуповувати електронні системи керування пневматичною підвіскою ведучих західних фірм таких, як Wabco Westinghouse, Knorr Bremse. Ці системи здатні виконувати цілий ряд функцій керування пневматичною підвіскою і забезпечують мінімальний рівень підлоги.
Електронні системи є дорогими і часто необґрунтовано завищують ціну міських автобусів, зокрема автобуса ЛАЗ, який може стати однією з істотних статей взаєморозрахунку України і країн СНД за нафту, газ і т.д. Механічні системи керування пневматичною підвіскою здатні виконувати меншу кількість функцій, але мають меншу вартість і в даний час мають не менше застосування, ніж електронні. Основним апаратом у таких системах є регулятор рівня підлоги (РРП).
Тому створення конструкції РРП, що дозволить забезпечити необхідну якість регулювання при мінімальній витраті повітря, а також зменшити динамічний хід підвіски, для України є актуальною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 39 від 26 січня 1994 року "Про організацію виробництва міських автобусів великої місткості", а також відповідно до планів НДР кафедри автомобілів ХНАДУ по комплексній темі: “Системне проектування та конструювання транспортних засобів, що забезпечують необхідну безпеку дорожнього руху”. Роль автора у виконанні цих науково-дослідних робіт – розробка і дослідження регулятора рівня підлоги пневматичної підвіски.
Метою даної роботи є вдосконалення процесу керування пневматичною підвіскою.
Задачі дослідження:
1. Розробити математичну модель регульованої пневматичної підвіски.
2. Дослідити вплив РРП на експлуатаційні властивості пневматичної підвіски.
3. Розробити критерії керування пневматичною підвіскою при русі автомобіля і запропонувати методику визначення прохідних перетинів РРП.
4. Розробити конструкцію регулятора рівня підлоги, що дозволяє реалізувати отриману відповідно до запропонованої методики залежність площі прохідних перетинів.
5. Провести експериментальні дослідження пневматичної підвіски автобуса з розробленою конструкцією РРП. Виконати перевірку адекватності запропонованої методики.
Об'єкт дослідження - процес керування пневматичною підвіскою при русі автомобіля.
Предмет дослідження – раціональна залежність площі прохідних перетинів РРП від висоти пневматичного пружного елемента.
Методи дослідження. У процесі аналізу робіт по пневматичній підвісці використовувався історичний метод аналізу; для дослідження впливу РРП на експлуатаційні властивості пневматичної підвіски – методи математичного моделювання і чисельні методи рішення диференціальних рівнянь; при визначенні раціональної залежності площі прохідних перетинів РРП – графоаналітичний метод; при обробці результатів експериментальних досліджень – метод кореляційного аналізу.
Наукова новизна отриманих результатів. Використовуючи наукові положення газової динаміки вперше запропонована раціональна залежність площі прохідних перетинів РРП; вдосконалена математична модель керованої пневматичної підвіски.
Практичне значення отриманих результатів:
1. Розроблений РРП після серії іспитів на працездатність і довговічність, пройшов сертифікацію і впроваджений у серійне виробництво на Вовчанському агрегатному заводі, що підтверджується актом упровадження.
2. Запропонована математична модель регульованої пневматичної підвіски дозволяє враховувати відвід тепла через стінки пневматичних пружних елементів, відриви колеса від дороги і пробої підвіски.
3. Запропонована методика визначення площі прохідних перетинів дозволяє на стадії проектування оцінити вплив РРП на параметри коливань підресореної маси і визначити раціональну залежність площі прохідних перетинів у залежності від кута відхилення його важеля. Застосування розробленої математичної моделі і методики при проектуванні пневматичної підвіски дозволяє більш точно визначити необхідний динамічний хід підвіски, що сприяє зниженню рівня підлоги кузова.
4. Отримана відповідно до розробленої методики залежність площі прохідних перетинів реалізована в удосконаленому РРП. Дослідна партія удосконалених РРП пройшла іспит, і конструкція РРП рекомендована до серійного виробництва.
5. РРП використовується в пневматичній підвісці міських автобусів ЛіАЗ-5256, ЛАЗ-5259, "Харківўянин-52591" (ГП ХАРЗ № 126, м. Харків) і може бути встановлений у пневматичних підвісках різних транспортних засобів. Розроблена математична модель і методика можуть бути використані при проектуванні і дослідженні РРП інших конструкцій.
Особистий внесок здобувача:
1. Удосконалено математичну модель регульованої пневматичної підвіски. При розрахунку коливань підресореної і непідресореної мас враховується відрив колеса від дороги, пробій підвіски і відвід тепла через стінки пневматичного пружного елемента в атмосферу.
2. Запропоновано методику визначення залежності площі прохідних перетинів РРП, що дозволяє на стадії проектування оцінити вплив РРП на параметри коливань підресореної маси.
3. Отримана відповідно до розробленої методики залежність площі прохідних перетинів реалізована в удосконаленому РРП.
Апробація результатів дисертації.
Дисертаційна робота обговорена і схвалена на розширеному засіданні кафедри автомобілів Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету. Основні положення дисертації і робота в цілому доповідалися й одержали позитивну оцінку на науково-технічній конференції "Ергономіка на автомобільному транспорті" (м. Харків, 1997 р.); 62-й (1998 р.), 63-й (1999 р.), 64-й (2000 р.), 65-й (2001 р.) науково-технічної і науково-методичної сесії ХНАДУ (м. Харків); міжнародної науково-технічної конференції “Автобудування-2001” (м. Харків, 2001 р.).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 5 наукових працях, у тому числі 4 - у спеціалізованих виданнях.
Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і трьох додатків на 106 стор. Загальний обсяг роботи 259 сторінок, в тому числі 99 малюнків на 46 стор. і 4 таблиці на 3 стор. Список використаної літератури нараховує 157 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтована тема дисертаційної роботи, що спрямована на вдосконалення процесу керування пневматичною підвіскою транспортних засобів шляхом раціонального вибору залежності площі прохідних перетинів РРП.
Перший розділ присвячений огляду й аналізу систем керування пневматичною підвіскою (рис. 1), огляду й аналізу конструкцій регулятора рівня підлоги (рис. 2), а також огляду й аналізу математичних моделей пневматичної підвіски.
Рис. 1. Основні класифікаційні ознаки систем керування пневматичною підвіскою
Рис. 2. Основні класифікаційні ознаки регуляторів рівня підлоги
В другому розділі проводиться аналіз впливу регулятора рівня підлоги на експлуатаційні властивості пневматичної підвіски, для чого було запропоновано використати 2-х масову коливальну систему (рис. 3).
Рис. 3. Розрахункова схема коливальної системи: 1 – пневматичний пружний елемент; 2 – амортизатор, 3 – елемент, що характеризує пружні властивості шини, 4 – елемент, що характеризує амортизуючі властивості шини, 5 - регулятор рівня підлоги, Мп - підресорена маса, mнп - непідресорена маса, kр - коефіцієнт опору амортизатора, kш - коефіцієнт опору шини, Сш - жорсткість шини, q(t) - висота нерівностей дороги в залежності від часу t
Рівняння, що описують дану систему, приймуть вид:
 , (1)
де: Fип – сила інерції підресореної маси; Gп – сила ваги підресореної маси; Fбал – сила, що утворюється пружним елементом; Fам – сила, що утворюється амортизатором; Fинп – сила інерції непідресореної маси; Gнп – сила ваги непідресореної маси; Fамш – сила, яка імітує амортизуючі властивості шини ; Fш - сила, що імітує пружні властивості шини.
Сила Fбал представлена у виді кусочно-нелінійної характеристики (рис. 4) в залежності від висоти пружного елемента і тиску повітря в ньому:
 (2)
де h = X-Y - поточне значення висоти пневмобалону, м; Cсж - жорсткість гумового буфера стиску, Н/м; Cотб - жорсткість гумового буфера відбою, Н/м; Р - тиск повітря всередині пневмобалону, Па; S(h) – ефективна площа пневмобалону в залежності від його висоти h, м2, hсж – висота балона при торканні буфера стиску, м, hотб – висота балона при торканні буфера відбою, м.
При визначені сили, створюваної пружним елементом, прийняті наступні припущення:
1. Стінки балона абсолютно нерозтяжні;
2. Повітря вважається ідеальним газом.
Припущення про нерозтяжність стінок пневмобалону дозволяє припустити, що геометричні характеристики пневматичного пружного елемента не залежать від температури і тиску повітря усередині балона. Це значно спрощує математичне моделювання, тому що об'єм і ефективна площа балона визначаються тільки в залежності від його деформації.
Рис. 4. Статична характеристика пневматичного пружного елемента
Тиск повітря визначається з рівняння:
 , (3)
де R – універсальна газова постійна для повітря, Дж/кгЧК; G – маса повітря, кг; T – температура повітря всередині пневмобалону, К; V(h) – обсяг пневмобалону в залежності від деформації h, м3.
Залежності S(h) і V(h) виходячи з першого припущення є стабільними і легко визначаються зі статичної характеристики пневматичного пружного елемента.
Температура повітря визначається з першого закону термодинаміки в диференційній формі:
 , (4)
де dq – елементарна кількість теплоти, яка підводиться до робочого тіла чи відводиться від нього, Дж; du - елементарна зміна внутрішньої енергії робочого тіла, Дж; dl - елементарна робота, виконана робочим тілом, Дж.
Для ідеального газу елементарна зміна внутрішньої енергії робочого тіла масою G визначається по наступній залежності:
 , (5)
де Cv - значення теплоємності повітря.
Елементарна робота, виконана робочим тілом, для ідеального газу визначається по залежності:
 . (6)
Кількість теплоти, що відводиться чи підводиться до робочого тіла в Дж:
 , (7)
де kt – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мЧК); S – площа поверхні пневмобалону, м2; b – товщина стінки пневмобалону, м; Тнар – температура навколишнього середовища, К.
З рівнянь (4...7) одержимо:
 , (8)
де  - похідна об'єму пневмобалона по деформації, м3/м.
Пружна характеристика шини (рис. 5) представлена кусочно-лінійною залежністю:
 (9)
де  - початкова деформація шини, м; q - висота нерівностей дороги, м; Cш - твердість шини, Н/м;  - мінімальна висота шини до упора в обід колеса, м; Соб - жорсткість обода колеса, Н/м.
Рис. 5. Пружна характеристика шини
Подібне представлення пружної характеристики шини дозволяє враховувати відрив колеса від дороги.
Характеристику амортизатора приймемо лінійною, несиметричною. Тоді сила опору амортизатора визначається по залежності:
 , (10)
де  - коефіцієнт опору амортизатора відповідно при відбої і при стиску.
Після підстановки виражень (2)...(10) у систему (1) одержимо систему диференційних рівнянь, що описують нерегульовану пневматичну підвіску:
 (11)
Витрата повітря регулятором:
 (12)
де fвп(x-y), fвип(x-y) – площа прохідних перетинів регулятора в залежності від висоти пневматичного пружного елемента, k – показник адіабати, R – газова постійна для повітря, T – абсолютна температура повітря перед дроселем, Ррес – тиск повітря в ресивері, Рбал – тиск повітря в пневматичному пружному елементі, Татм – температура навколишнього середовища, s - відношення тиску на виході з регулятора до тиску на вході, z вп, z вип – сумарний коефіцієнт опору відповідно для впуску і випуску повітря.
Система диференційних рівнянь, що описують регульовану пневматичну підвіску:
 (13)
Припущення абсолютної нерозтяжності стінок пружного елемента дозволяє застосувати для рішення диференціальних рівнянь, що описують нерегульовану пневматичну підвіску, методи операційного числення.
Для спрощення системи рівнянь (11) приймемо додаткові припущення:
1) у пневматичному пружному елементі відсутні гумові буфери стиску і відбою;
2) характеристика амортизатора лінійна, симетрична;
3) процеси стиску і розширення повітря в пневматичних пружних елементах відбуваються без теплообміну з навколишнім середовищем, тобто носять адіабатний характер;
4) рух коливальної системи відбувається без відриву колеса від дороги.
Навантаження на пневматичний пружний елемент:
 , (14)
де Р0, V0 – відповідно тиск повітря в пружному елементі й обсяг пружного елемента в положенні статичної рівноваги.
Виконаємо апроксимацію залежності  залежністю виду:
 , (15)
де а0, а1, а2, а3 – коефіцієнти апроксимації.
Приймаючи, що  , одержимо:
 (16)
Застосувавши до системи (17) перетворення Лапласа, одержимо:
 (17)
де x(s), y(s) і q(s) – Лапласові зображення відповідно функцій x(t), y(t) і q(t); s = у + iЧщ – комплексна частота.
Допустимо, що мікропрофіль дороги описується функцією:
 , (18)
де q0 – амплітуда висоти нерівностей, м; щ – частота збуджуючого впливу, с-1
 (де Vа - швидкість автомобіля, м/с; lb – довжина нерівностей, м); t – час, с.
Тоді систему рівнянь можна вирішити відповідно x(s) і y(s). Одержимо:
 (19)
де  ,  ,  ,  .
Передатні функції:
 , (20)
 . (21)
Отримане рішення дозволяє попередньо оцінювати такі параметри пневматичної підвіски як амплітуда коливань підресореної і непідресореної мас, швидкість і прискорення переміщення підресореної і непідресореної мас, а також проводити аналіз впливу параметрів пневматичної підвіски на вище зазначені величини.
Однак складність і незручність отриманих рішень, а також неможливість оцінити пробої підвіски та відриви колеса від дороги, роблять кращим використання математичних моделей, основаних на чисельних методах.
Рішення отриманих диференційних рівнянь дозволило побудувати амплітудно-частотні характеристики нерегульованої і регульованої підвісок.
У результаті аналізу параметрів коливань при русі АТЗ із регульованою і нерегульованою пневматичними підвісками можна зробити наступні висновки:
1. Регулятор рівня підлоги компенсує зниження динамічного нейтрального положення, обумовлене несиметричною характеристикою амортизаторів, і дозволяє значно зменшити динамічний хід підвіски. У зв'язку з цим повне відключення регулятора рівня підлоги при русі АТЗ небажано.
2. Швидкість, прискорення й амплітуда коливань підресореної маси при русі з регульованою підвіскою мають трохи менші значення, ніж при русі з нерегульованою. Це пояснюється тим, що коливання відбуваються поблизу статичного нейтрального положення, де пневматичний пружний елемент має меншу жорсткість. Проте, при збільшенні площі прохідних перетинів регулятора рівня підлоги може спостерігатися збільшення імовірності відриву коліс від дороги в області резонансних частот, що обумовлено деяким підвищенням при стиску і зниженням при відбої жорсткості пневматичного пружного елемента за рахунок витрати повітря регулятором.
3. Динамічне нейтральне положення підресореної маси і висоти пневматичного пружного елемента в регульованій пневматичній підвісці залежить головним чином від співвідношення площі прохідних перетинів і гідравлічних опорів регулятора рівня підлоги на впуску і на випуску.
4. Найбільш оптимальним алгоритмом регулювання пневматичною підвіскою при русі АТЗ є підтримка певної відстані до буфера стиску, яка визначається з умови мінімальної імовірності пробою підвіски при даній частоті збуджуючого впливу і висоти нерівностей дороги. Реалізація даного алгоритму в механічних системах керування недоцільна через значну витрату повітря підвіскою при русі АТЗ. Даний алгоритм може бути реалізований в електронних системах керування і дозволить зробити підвіску більш чутливою до дорожніх нерівностей.
5. Для зниження витрати повітря регулятором необхідно прагнути до найбільш близького розташування динамічного і статичного нейтральних положень.
| 
