|
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ
ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кирчатий Володимир Іванович
УДК 629.113-59
ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ РЕГУЛЮВАННЯ
ГАЛЬМІВНИХ СИЛ НА АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБАХ
КАТЕГОРІЇ М3
(Спеціальність 05.22.02 – Автомобілі та трактори)
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: Лауреат державної премії України, кандидат технічних наук, доцент Богомолов Віктор Олександрович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, професор кафедри автомобілів.
Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор
Крайник Любомир Васильович, Український інститут автобусо - тролейбусо – будування, голова правління ВАТ Укравтобуспром, м. Львів,
Кандидат технічних наук Смірнов Володимир Іванович, АТ “Харківський тракторний завод”, заступник головного конструктора.
Провідна установа: Інститут машин та систем НАН України, м. Харків,
Захист відбудеться 21.03.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64. 059.02 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.
Автореферат розісланий 18.02.2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор Юрченко А. М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Збільшення середніх і максимальних швидкостей руху автотранспортних засобів (АТЗ) визначає дві основні проблеми, що стосуються їхньої активної безпеки:
- підвищення ефективності і якості процесу гальмування;
- зменшення часу, необхідного водію для прийняття найбільш раціонального рішення.
В цих умовах все більшу увагу потрібно приділяти автоматизації процесу гальмування.
Одним з найбільш ефективних приладів, що забезпечують цю автоматизацію, є регулятор гальмівних сил (РГС).
Актуальність теми. Україна є найбільшим виробником і постачальником в СНД міських і приміських автобусів категорії М3.
В відповідності з існуючими міжнародними нормативами автобус неможливо експортувати, якщо у нього не виконуються вимоги Додатку 10 Правил № 13 ЄЕК ООН, що стосуються розподілу гальмівних сил по осям АТЗ.
Означені вимоги можуть бути виконані за допомогою РГС.
Настанова РГС з так званою променевою характеристикою, наприклад, західногерманських фірм KNORR BREMSE, Wabco Westinghouse та ін., часто необгрунтовано підвищують ціну міського автобуса.
Тому створення конструкції РГС, що з одного боку буде значно простіше існуючих аналогів, а значить і надійніше, з іншої в декілька разів дешевше, засвоєння цієї конструкції українськими виробниками і впровадження її в гальмівну систему українських автобусів для України є актуальною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в відповідності з Постановою кабінету міністрів України №39 від 26 січня 1994 р. "Про організацію виробництва міських автобусів великої місткості"; Постановою Національної Ради з питань безпечної життєдіяльності населення № 3 від 25 грудня 1997 р. "Про відповідність вимогам охорони праці машин транспортних засобів, обладнання, які виготовляються в Україні", а також з планами НДР кафедри автомобілів ХДАДТУ по проблемі "Безпека дорожнього руху" комплексної теми "Системне проектування та конструювання транспортних засобів, які забезпечують необхідну активну безпеку дорожнього руху".
Мета і задачі дослідження. Метою наукової роботи є підвищення активної безпеки АТЗ категорії М3 шляхом настанови вдосконаленого регулятора гальмівних сил з характеристикою компенсатора тиску.
В відповідності з поставленою метою в роботі необхідно вирішити наступні задачі: для АТЗ категорії М3 розробити критерії можливості застосування різноманітних засобів регулювання гальмівних сил; розробити критерії застосовності на АТЗ категорії М3 РГС з характеристикою компенсатора тиску, розробити методику синтезу найбільш раціональної вихідної характеристики таких РГС; розробити конструкції РГС з характеристикою компенсатора тиску, розробити методику проектування таких РГС; провести експериментальні дослідження, підтверджуючі доцільність застосування РГС з характеристикою компенсатора тиску на АТЗ категорії М3.
Об'єктом дослідження є процес гальмування автотранспортного засобу категорії М3 з регулятором гальмівних сил, проблема підвищення його ефективності і дієздатності.
Предметом дослідження є раціональна характеристика регулятора гальмівних сил автотранспортного засобу категорії М3.
Методи дослідження. В процесі аналізу робіт попередніх авторів використовувався історичний засіб; при створенні схеми і конструкції РГС засіб абстрагування; при математичному моделюванні – аналітичні засоби, в процесі експериментальних досліджень – експериментальні засоби.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше розроблені теоретичні основи застосування на транспортних засобах категорії М3 регуляторів гальмівних сил з характеристикою компенсатора тиску; розроблені теоретичні основи застосовності нових засобів регулювання гальмівних сил на АТЗ категорії М3; розроблена теорія синтезу найбільш раціональної вихідний характеристики РГС для АТЗ категорії М3; вдосконалені теоретичні основи розрахунку величини гальмівного шляху АТЗ.
Практичне значення одержаних результатів. Основні наукові положення, розробки і рекомендації використані: в навчальному процесі підготовки інженерів-механіків і інженерів-конструкторів за спеціальностями 7.090215 "Автомобілі і автомобільне господарство", 7.090211 "Колесні і гусеничні транспортні засоби". Конструкція РГС з характеристикою компенсатора тиску прийнята до впровадження в серійне виробництво на Вовчанському агрегатному заводі (м. Вовчанськ, Харківська обл.); в конструкцію гальмівної системи міського автобуса виробництва авторемонтного заводу № 126 (м. Харків).
Особистий внесок здобувача. Автору належать: методика проектування РГС для пневматичного гальмівного приводу (ПГП), з характеристикою компенсатора тиску; методика синтезу вихідних характеристик РГС для двовісного АТЗ категорії М3; результати експериментальних досліджень гальмівної системи міського автобуса з РГС, що має характеристику компенсатора тиску.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і робота в цілому доповідалися і отримали позитивну оцінку на: ХХХ міжнародній науково-технічній конференції "Безпека конструкції автотранспортних засобів" (м. Дмітров, Московська обл., 2000 р.); 7-й міжнародній конференції "Технологія ремонту машин, механізмів і обладнання". (м. Алушта, 1999 р.); 64 науково-технічній та науково-методичній сесії ХДАДТУ (м. Харків, 2000 р.); засіданні наукової ради Українського інституту автобусо-тролейбусобудування (м. Львів, 2000 р.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 2 монографіях, 3 друкованих роботах в спеціалізованих журналах ВАК України.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та трьох додатків. В роботі 216 сторінок, в тому числі: 72 малюнка на 46,5 сторінках, 5 таблиць на 3,5 сторінках, додатків на 27 сторінках, список використаних джерел з 147 найменувань на 14 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, визначена наукова новизна, практичне значення, викладені основні положення, що виносяться на захист.
В першому розділі "Стан питання і задачі дослідження" проведено аналіз робіт, присвячених регулюванню гальмівних сил АТЗ. Цим питанням займалися такі дослідники, як: : Автушко В. П., Акопян Р. А., Біленький Ю. Б., Бендас І. М., Богдан Н. В., Борисов Л. Л., Бриков А. С., Бухарін Н. А., Великанов А. А., Высоцький М. С., Гаспарянц Г. А., Генбом Б. Б., Годун І. І., Гредескул А. Б., Григорян В. Г., Гуревич Л. В., Дем?янюк В. А., Дронін М. Й., Жестков В. А., Ілларіонов В. А., Кожевников В. І., Косолапов Г. Н., Литвинов А. С., Ломака С. Й., Мащенко А. Ф., Метлюк Н. Ф., Меламуд Р. А., Мордашов А. Ф., Нагорняк С. Г., Осепчугов Є. В., Подригало М. А., Розанов В. Г., Русаковський А. Е., Сидоров Е. Н., Скутнев В. М., Старинський А. Д., Туренко А. М., Фалькевич Б. С., Фаробін Я. Е., Федосов А. С., Феофанов Ю. А., Фрумкін А. К., Хітін В. А., Чудаков Е. А., Blase H. Gatt M., Gory G., Granel I., Hдhnach A., Heiko M., Johnsson C. E. ?а ін.
Як правило, в дослідженнях приймається так звана плоска модель розподілу гальмівних сил по осям АТЗ.
Практика проектування гальмівних систем автомобіля показує, що ідеальний закон розподілу гальмівних сил в реальних гальмівних системах вдається реалізувати далеко не завжди.
Крім того, для вантаженого і порожнього АТЗ ідеальні криві значно розминаються, що в свою чергу ще більше ускладнює задачу їх апроксимації. Саме цими обставинами викликана поява в сучасних конструкціях гальмівних систем АТЗ РГС.
Існують різні критерії необхідності застосування РГС. В теперішній час найбільш перспективним необхідно вважати критерій – виконання АТЗ міжнародних вимог Додатку 10 Правил № 13 ЄЕК ООН.
Найбільший розвиток такий підхід отримав в роботах проф. Туренко А. М. Ним запропонована комплексна методика, що вперше дозволяє водночас відповісти на такі питання, як: 1) потрібний або не потрібний РГС конкретному АТЗ для виконання вимог означених Правил; 2) в яких випадках можна обійтися без РГС; 3) яким повинен бути найбільш раціональний розподіл гальмівних сил з точки зору виконання Правил № 13.
Разом з цим запропонована методика не дає відповіді на інші дуже важливі питання, зокрема: 1) якщо РГС потрібний, то скільки їх потрібно застосовувати на АТЗ. Особливо це стосується зўєднаних трьохвісних АТЗ категорії М3; 2) яка вихідна характеристика РГС найбільш доцільна для АТЗ, що проектується. Синтез цієї характеристики.
Як бачимо, дослідження в цьому направленні вимагають подальшого розвитку.
Можливі засоби регулювання гальмівних сил в роботі отримані з аналізу формули для визначення величини гальмівного моменту на осі АТЗ:
 , (1)
де ni – кількість гальмівних механізмів на і-тій осі; Рд – приводний тиск в пневмокамері; DРд – початкова невідчутність гальма до приводного тиску;h - к. к. д. механізму розтиску; і - передавальне відношення механізму розтиску; А - трибо-геометричний коефіцієнт; - сумарна активна площа пневмокамер.
В результаті аналізу (1) робляться наступні висновки.
З точки зору ефективності процесу регулювання гальмівних сил найбільш перспективними засобами здійснення цього процесу, окрім зміни величини приводного тиску, є: 1) зміна кількості гальмівних механізмів, що найбільш доцільно на вантажних АТЗ, в конструкції яких є підйомний задній міст, при русі в порожньому стані; 2) зміна активної площі робітничого гальмівного циліндра. Принципова схема такого регулювання показана на рис. 1; 3) зміна схеми виконання гальмівного механізму.
Рис. 1 Принципова схема гальмівної системи з диференціальним приводним пневмопоршнем
Для аналізу останнього в роботі розглядаються існуючі статичні моделі барабанних гальмівних механізмів.
Цими питаннями займалися такі учені, як: Біленький Ю. Б., Богомолов В. А., Генбом Б. Б., Гольд Б. В., Гинцбург Л. Л., Гредескул А. Б., Лепешко І. І., Маміті Г. І., Машатин В.І., Мащенко А. Ф., Пижевич Л. М., Туренко А. М., Фаробін Я. Е., Федосов А. С., Чудаков Е. А., Яницький Л. Г., Bochman I., Goran G., Kourik I., Millner N. та ін.
З аналізу робіт цих досліджень можна зробити висновок про те, що для плаваючої колодки трибогеометричний коефіцієнт в (1) найбільш доцільно визначати по формулі:
 (2)
де а,с,W – геометричні параметри, визначені на рис. 2; 1, 2 - індекси відповідно для притискної та відтискної колодок; a - кут між результуючою від нормальної реакції барабана на накладки N1,2 і віссю у рис. 2;
Рис. 2 Статична модель плаваючої притискної колодки
З аналізу ідеальних кривих розподілу гальмівних сил у АТЗ категорії М3 робиться висновок про те, що на таких АТЗ з пневмоприводом можливо застосування РГС з характеристикою компенсатора тиску.
Запропоновано методику розрахунку передавального відношення і ККД механізму розтиску з “Z”- подібним кулаком.
На підставі даних виконаного аналізу сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.
В другому розділі "Синтез закону розподілу гальмівних сил по осям автотранспортного засобу" відзначається, що найбільш розповсюдженими схемами компоновки АТЗ категорії М3 є двовісний і трьохвісний зўєднаний автобуси.
Питаннями розподілу гальмівних сил у таких транспортних засобів займалися дослідники: Бендас І. М., Богдан Н. В., Борисов Л. Л., Бриков А. С., Высоцький М. С., Генбом Б. Б., Годун І. І., Гредескул А. Б., Демьянюк В. А., Ілларионов В. А., Кожевников В. І., Литвинов А. С., Мащенко А. Ф., Осепчугов Є. В., Подригало М. А., Розанов В. Г., Скутнев В. М., Туренко А. М., Фалькевич Б. С., Фаробін Я. Е., Федосов А. С., Чудаков Е. А. та ін.
На підставі аналізу цих досліджень в роботі прийнята так звана "плоска" модель розподілу гальмівних сил.
Для двовісного АТЗ відомо, що:
  . (3)
де Т1, Т2 – гальмівні сили для передньої і задньої осей АТЗ; а, b – відстань від центру мас до передньої і задньої осей; Р – вага АТЗ; h – висота центру мас; Е – база; j – уповільнення; g=9.8 м/с2.
Для трьохвісного зўєднаного АТЗ в роботі запропонована модель розподілу нормальних реакцій і гальмівних сил (див. (4), (5), (6)) по осям автобуса.
 , (4)
 , (5)
 (6)
Для розробки критеріїв необхідності і достатності застосування РГС з тієї або іншою характеристикою в роботі пропонується нормативні вимоги Правил № 13 перестроювати в координатах: МТ2 = f(МТ1).
Для двовісного АТЗ це буде мати вигляд системи рівнянь:
 (7)
І додаткового рівняння:
МТ1 = Р.z.rд – МТ2, (8)
Графічно ці вирази показані на рис. 3.
Рис. 3 Граничні криві для АТЗ категорії М3
З аналізу рис. 3 отримано наступні критерії.
Якщо:
 (9)
тоді АТЗ може задовольняти вимогам Додатку 10 Правил № 13 ЄЕК ООН без РГС.
Якщо граничні криві розташуються подібно тому, як це показано на рис. 4.
Тобто:
 (10)
тоді в цьому випадку вистачить застосування РГС програмної дії, характеристика якого показана в вигляді прямих 14, рис. 4.
Якщо у АТЗ виконується умова:
 (11)
де "Г" – індекс, відповідний вантаженому АТЗ; zуст = ; jуст – нормативне
уповільнення АТЗ, то на такому транспортному засобі доцільно застосовувати РГС з характеристикою обмежувального типу.
Рис. 4 Статична характеристика регулятора гальмівних сил
програмної дії
І нарешті, якщо проектований транспортний засіб не задовольняє жодному з розглянутих вище критеріїв, питання про застосування РГС з характеристикою компенсатора тиску або променевого типу вирішується, виходячи з графіків, наведених на рис. 5.
Рис. 5 Апроксимація кривих ідеального розподілу гальмівних моментів по осям АТЗ
З цією метою вводиться поняття узагальненого показника якості апроксимації ідеальних кривих:
 (12)
 , (13)
 , (14)
де Г, П – індекси, відповідні вантаженому і порожньому станам АТЗ; f(M1Г), f(M1П) – функції ідеального розподілу гальмівних моментів по осях АТЗ;
- для РГС з характеристикою компенсатора тиску
 , (15)
 (16)
 (17)
Таким чином, якщо виконується нерівність: ПКЛ > ПКИ, то доцільно застосовувати РГС з характеристикою променевого типу. Якщо: ПКИ  ПКЛ, тоді РГС з характеристикою компенсатора тиску.
В відповідності з запропонованою методикою в роботі проаналізовані 12 моделей транспортних засобів категорії М3, які виробляються в країнах СНД. З розрахунків слідує, що з 12 автобусів на 10-ти доцільно застосовувати РГС з характеристикою компенсатора тиску. Лише тільки на одному ЛіАЗ-677М краще використати РГС променевого типу. На автобусі ЛіАЗ-5256 регулятор з характеристикою компенсатора тиску застосовуватися може, оскільки величина ПКЛ лише на 6% більше ПКИ. Простота конструкції такого РГС робить його застосування більш прийнятним і в цьому випадку.
Діаграму відповідності зўєднаним автобусом вимог Додатку 10, як виявилося, зручніше всього будувати в координатах Кі = f(Pд), де Кі – коефіцієнт ефективності гальмівної сили і-тої осі АТЗ; Рд – приводний тиск.
Для трьохвісного зўєднаного АТЗ категорії М3 запропоновано систему відповідних нерівностей. По цим рівнянням також будується діаграма, з якої можна визначити, на який осі (осях) АТЗ необхідно встановлювати РГС, а де можна обійтися і без нього. При цьому вимоги Правил № 13 ЄЕК ООН будуть гарантовано виконуватися.
Вибір необхідної ефективності гальмівних механізмів АТЗ пропонується здійснювати з діаграми рис. 3а, з використанням виразу:
 , (18)
Синтез статичної характеристики РГС найбільш зручно здійснювати в координатах:
 (19)
В роботі приводиться методика здійснення такого синтезу.
На рис. 6 представлена діаграма синтезу вихідної характеристики переднього і заднього РГС з характеристикою компенсатора тиску у двовісного автобуса категорії М3.
В результаті проведеного аналізу по розділу робляться основні висновки:
- на транспортних засобах категорії М3 найбільш прийнятним є застосування РГС з характеристикою компенсатора тиску;
- розроблені критерії, що визначають можливість застосування РГС з характеристиками обмежувача тиску, променевого типу, програмної чинності.
Рис. 6 Синтез статичної характеристики регуляторів гальмівних сил
В третьому розділі "Регулятори гальмівних сил з характеристикою компенсатора тиску" на рис. 7,8 показані конструктивні схеми РГС з такою характеристикою.
Рис. 7 Принципова схема РГС, що не виконує функції прискорюючого клапану
Питання про необхідність застосування РГС, що виконає функції прискорюючого клапана, пропонується вирішувати, виходячи з часу спрацьовування пневматичного гальмівного приводу.
Рис. 8 Принципова схема гальмівної системи з РГС, що виконає функції прискорюючого клапана
Питаннями динаміки пневмопривода займалися такі учені, як: Абрамович Г. Н., Автушко В. П., Біленький Ю. Б., Вишняков Н. Н., Герц Е. В., Гогричиані Г. В., Дольберг В. І., Дронін М. Й., Жестков В. А., Жестков В. В., Крейнін Г. В., Любушкін В. В., Метлюк М. Ф., Погорелов В. І., Попов Д. Н., Прудников С. Н., Розанов В. Г., Туренко А. М., Чернов В. І., Шипілин А. В. та ін.
В роботах школи Білоруської політехнічної академії пропонується диференціальне рівняння перехідного процесу ДЄ- ланки з постійною
ємністю при її наповненні записувати в вигляді:
 (20)
де Р1 – тиск , що змінюється в ємності, яка заповнюється; Ро – тиск перед дроселем; k=1.4 – показник адіабати;m - коефіцієнт витрати; f – площа поперечного перетину каналу дроселя; V=const – обсяг ємності; А=0.654, В=1.13 – коефіцієнти, визначені експериментально; Vкр – критична швидкість струмини.
Рішення рівняння (20) для випадку стрибкоподібної зміни тиску на вході ланки до величини Ро =const, при миттєвому відкритті каналу, має вигляд:
 . (21)
З (21) легко отримати критерій:
 (22)
де Vпр – наведений обсяг, що заповнюється; (mf)Э – наведений коефіцієнт витрати; [tн] – нормований час наповнення пневмопривода АТЗ.
Розроблені статичні моделі РГС (див., наприклад мал. 8, 9) дозволяють вибирати їхні геометричні параметри з урахуванням гистерезису.
На мал. 9 показана розрахункова вихідна характеристика РГС, що виконує функцію прискорюючого клапана, як під час загальмовування, так і при розгальмовуванні.
Рис. 9 Статична характеристика РГС, що виконує функцію прискорюючого клапана.
Виявилося, що у РГС по рис. 9 при розгальмовуванні може мати місце остаточний тиск:
 , (23)
де - тертя в ущільненні поршня 2 рис. 8, неприпустиме з точки зору дієздатності гальмівної системи.
Для усунення цього недоліку можна рекомендувати наступні заходи: знижувати силу тертя ; збільшувати діаметр D2 і зменшувати діаметр D1 (рис. 8); під поршень 2 рис. 8 встановлювати пружину, попередній стиск якої задовольняє нерівності: .
Вдосконалена методика розрахунку гальмівного шляху АТЗ, графічне подання якої показане на рис. 10.
Рис. 10 Діаграма розрахунку гальмівного шляху АТЗ
Запропонована методика полягає в наступному:
- будуються графіки зростання тиску в пневмокамерах контурів АТЗ;
Криві зростання тиску в пневмокамерах контурів АТЗ розбиваються на характерні частки, наприклад, як це зроблено на мал.. 10;
- припускаємо, що на кожній з цих часток гальмівна сила, як функція часу, підкоряється лінійному закону;
- розраховуємо гальмівний шлях, пройдений АТЗ на кожній з цих часток;
- визначаємо сумарний гальмівний шлях:
 (24)
В четвертому розділі "Експериментальні дослідження", розроблено конструкції РГС з характеристиками компенсаторів тиску. Проведено їх лабораторні і дорожні випробування (див. рис. 11, 12)
Підтверджена справедливість розробленої методики їхнього проектування.
Доведено, що застосування таких РГС на двовісних автобусах категорії М3 помітно покращує якість розподілу гальмівних сил. Особливо це помітно з зменшенням завантаженості АТЗ.
Проведені дорожні експериментальні дослідження підтвердили справедливість розробленої методики розрахунку гальмівного шляху АТЗ.
Рис.11 Експериментальні криві реалізуємого зчеплення порожнього автобуса без РГС
Рис.12 Криві реалізуємого зчеплення порожнього автобуса с двома РГС
| 
