Теоретическое исследование влияния характеристик и состояния рулевого привода на эксплуатационные свойства автомобилей
Разработка граф-модели эксплуатационного состояния рулевого привода, связи его критерия качества с конструктивными факторами граф-модели. Исследование процесса изменения эксплуатационного состояния рулевого привода и эксплуатационных свойств автомобилей.
| Рубрика | Транспорт |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.03.2011 |
| Размер файла | 4,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
2
1. Разработка граф-модели эксплуатационного состояния рулевого привода
Характеристики и техническое состояние рулевого привода определяют среднюю техническую скорость движения, активную безопасность автомобиля и экономическую эффективность эксплуатации, т.е. соотношение между затратами на поддержание заданного уровня эксплуатационных свойств и эксплуатационными затратами на топливо, шины и др.
Для выполнения задач, поставленных в работе, разработана граф-модель эксплуатационного состояния рулевого привода, которая представляет собой схему (рис. 1), где в форме ориентированных прямых показаны аналитические связи между конструктивными и эксплуатационными факторами, определяющими характеристики и состояние РП, и критерием качества РП, а также аналитические связи последнего с эксплуатационными свойствами автомобилей.
Согласно принятым в теории графов [8] обозначениям представим граф-модель в аналитическом виде:
эксплуатационный рулевой привод граф модель
, (1)
. (2)
Основные конструктивные и эксплуатационные факторы (вход граф-модели), определяющие характеристики и состояние РП, посредством критерия качества РП SF связаны с эксплуатационными свойствами автомобиля (выход граф-модели). Использование интегрального показателя - критерия качества РП позволяет на базе граф-модели эксплуатационного состояния РП создать детерминированную математическую модель, реализуемую на ЭВМ по разработанной программе.
Граф-модель разработана для моделирования процесса изменения эксплуатационного состояния рулевого привода и эксплуатационных свойств автомобилей, определяемых характеристиками и техническим состоянием РП. В процессе моделирования решались следующие задачи:
1. Определение значимости влияния отдельных конструктивных факторов на изменение критерия качества РП.
2. Определение значимости влияния отдельных эксплуатационных факторов на изменение критерия качества РП.
3. Исследование динамики изменения критерия качества РП в зависимости от перечисленных факторов.
4. Исследование влияния критерия качества РП на перечисленные эксплуатационные свойства автомобилей.
5. Теоретическое обоснование оптимальных величин характеристик и состояния РП по критериям эксплуатационных свойств и затрат на поддержание заданного уровня этих свойств.
Для описания связей между критерием качества РП и факторами, его определяющими с одной стороны, и эксплуатационными свойствами с другой, а также отдельными факторами совокупностей, и, в конечном итоге, влияния критерия качества РП на эксплуатационные свойства автомобилей, наряду с полученными в работе результатами использованы аналитические, эмпирические и аппроксимированные графические зависимости ряда авторов, рассматривавших ранее эти связи в отдельности
Пределы применимости аппроксимированных выражений, обобщения и распространения результатов теоретического исследования определялись в каждом конкретном случае.
2. Анализ связей критерия качества рулевого привода с конструктивными факторами граф-модели
2.1 Упругость рулевого привода - СРП
Конструктивные факторы определяют начальную величину критерия качества РП, а также его изменение в зависимости от режимов движения. Они определяются конструктивными особенностями и задаются при проектировании. Упругость рулевого привода является определяющим конструктивным фактором, формирующим смещение в его кинематической цепи.
Следует отметить большое разнообразие терминов, характеризующих одно и то же свойство рулевого привода - сопротивляться перемещению (повороту) управляемых колёс под действием силы (момента) без изменения первоначальных свойств - жёсткость, упругость, податливость, эластичность. Принято в работе считать упругостью РП величину обратимых смещений под действием единицы силы, после снятия которой управляемые колёса возвращаются в первоначальное положение. Упругость РП является одной из двух компонент критерия качества РП - SF.
Учитывая, что по физическому смыслу критерия качества РП его величина приведена к приращению расстояния между дисками управляемых колёс, в дальнейшем каждый из факторов также приводился к этой величине. Экспериментальные исследования жёсткости РУ автомобилей рассматриваемого класса выполнили Фрумкин А.К., Сыыро Т.В. и др. [6], установившие, что податливость РУ «Москвич-412» составляет 30 град/даНм (величина приведена к углу поворота РК), а РМ и РП имеют податливость одного порядка, соответственно, 15,5 и 14,3 град /даНм.
Тогда, упругость рулевого привода, равная сумме податливоетей рулевой сошки, поворотных рычагов, боковых и средней тяги рулевой трапеции с учётом приведения и результатов работы будет:
,
что совпадает с результатами экспериментальных исследований (глава 4).
С учётом коэффициентов приведения величин смещений к радиусу диска колеса зависимость критерия качества РП от его упругости для исследуемых моделей автомобилей определим следующим выражением:
. (3)
Упругость рулевого привода, как отметили авторы работы [5], может оцениваться также частотой собственных колебаний системы, которая рассматривается как одно-массовая колебательная система [65]:
. (4)
Оптимальной величиной рекомендуется частота 3-4 Гц, при меньших значениях ухудшается устойчивость автомобиля. Рассматривая пути совершенствования конструкции РУ, авторы работы [65] отметили, что опыт эксплуатации на легковых автомобилях гидравлических амортизаторов, поглощающих обратные удары в РП, показал, что при малых амплитудах перемещения гидравлические амортизаторы не обладают достаточной чувствительностью и не являются эффективным средством для снижения обратных ударов, оставаясь в токе время надёжным средством, предотвращающим опасные колебания управляемых колёс - «шимми». Величину обратных ударов снижает уменьшение плеча обкатки, но при этом ухудшается стабилизация прямолинейного движения [6].
Экспериментальные исследования автора показали, что дисперсия упругих свойств рулевого привода значительна для выборки одной базовой модели автомобиля.
2.2 Стабилизирующий момент управляемых колёс - Mст
Стабилизирующий момент наряду с упругостью РП оказывает наибольшее влияние на формирование смещений в кинематической цепи РП путем силового воздействия на её элементы. Решение поставленных задач требует наличие аналитических зависимостей для определения стабилизирующего момента в зависимости от режимов движения, т.е. скорости и среднего угла поворота управляемых колёс, а также от конструктивных факторов: углов установки колёс, перераспределения веса по осям и т.п.
Таким требованиям отвечает одно-массовая математическая модель, аналитические зависимости которой разработаны Иларионовым В.А. [4, 3] и Литвиновым А. С. [5]. По рекомендациям этих работ с учётом необходимости определения стабилизирующего момента для каждого колеса в отдельности силу, действующую на управляемое колесо в пятне контакта шины с опорной поверхностью, разложим на три составляющие продольную (касательную), поперечную (боковую) и нормальную (вертикальную), реакции которых обозначим: X , У и Z . Тогда [4], составляющие стабилизирующего момента примут следующий вид:
а) от касательной реакции:
; (5)
б) от боковой реакции:
; (6)
в) от нормальной реакции:
. (7)
Для определения стабилизирующего момента шины используем зависимости:
а) при наличии скольжения в контакте:
; (1)
б) при отсутствии скольжения в контакте:
; (2)
При моделировании использована также аналитическая зависимость для определения стабилизирующего момента шины, как функции углов увода управляемых колёс, предложенная Литвиновой Т.А. :
. (3)
Суммарная боковая сила, действующая на автомобиль, определена с учётом возможности моделирования на ЭВМ как равномерного, так и неравномерного криволинейного движения по рекомендации работы [44]:
. (4)
Выражение для определения составляющей поперечной силы, приходящейся со стороны кузова на переднюю ось при криволинейном движении автомобиля, входящее в (5) и (7) имеет вид также согласно [44]:
. (5)
При этом принято допущение, что т.к. нормальные реакции при повороте автомобиля пропорциональны поперечной силе, которая в свою очередь пропорциональна углу поворота УК, то нормальные реакции при малых значениях углов поворота УК, т.е. при движении по траектории с относительно большими радиусами кривизны (когда имеет место наибольшее влияние смещений в РП на эксплуатационные свойства), можно считать линейными функциями углов поворота управляемых колёс.
Алгебраическое сложение моментов на внутреннем и наружном колёсах вносит погрешность 1-2% по сравнению с действительным (геометрическим) сложением [44], что входит в максимально возможную ошибку 5-7% с учётом погрешностей аппроксимаций и других допущений.
Направления моментов, составляющих суммарный стабилизирующий момент на управляемых колёсах, определялись согласно схеме (рис. 2). Откуда суммарный стабилизирующий момент, действующий в рулевом приводе и приведённый к поворотному рычагу цапфы, принимает вид:
. (6)
стабилизирующих моментов на управляемых колёсах передней оси автомобиля:
. (7)
Усилие, действующее в рулевом приводе от стабилизирующего момента, может быть определено также исходя из схемы сил и моментов, рассмотренной в плоскости опорной поверхности.
Причём, силы, сжимающие рулевую трапецию, считаются положительными, а растягивающие (увеличивающие начальный угол схождения) - отрицательными. Тогда, усилие в кинематической цепи рулевого привода определится:
. (8)
Важным для дальнейшего исследования является отношение. Следует отметить, что для моделирования процесса изменения эксплуатационных свойств использованы обе общепринятые методики для испытания автомобилей - со свободным рулём и фиксированным рулевым колесом. В этом случае выражение (14) принимает следующий вид:
а) движение автомобиля со свободным рулём:
(9)
б) движение автомобиля с фиксированным рулевым колесом:
(10)
Приведенные выше аналитические зависимости позволяют определить стабилизирующий момент и вызванное его действием усилие в РП с учётом изменения знаков составляющих моментов за счёт изменения плеч моментов, углов установки колёс, скорости движения и углов поворота управляемых колёс, в том числе и на величину смещений в РП.
Правильность аналитического определения стабилизирующих моментов на УК контролировалась сравнением их величин с результатами дорожных испытаний.
2.3 Угол бокового увода эластичной шины -
Наибольшую тесноту связи критерий качества РП имеет с углом бокового увода шины, т.к. близок ему по физической сущности, т.е. проявляется поворотом управляемого колеса под действием приложенного к нему момента. Причём, значимость влияния смещений в РП на изменение угла увода возрастает при малых (до 2°) значениях последнего.
Поэтому, для малых значений углов увода шины угол поворота управляемого колеса на величину смещений в РП может быть введён в аналитические зависимости непосредственно в пределах допустимой погрешности. При значениях углов увода больших 2° влияние смещений в РП на изменение угла увода может быть оценено только посредством коэффициента сопротивления шины боковому уводу. В этой связи при моделировании учитывалось постоянное изменение коэффициента сопротивления шины боковому уводу, в первую очередь от угла увода при его изменении.
Согласно анализу факторов, определяющих коэффициент сопротивления боковому уводу, выполненного А.С. Литвиновым [4], рассматривалось влияние величины сил, действующих на колесо, скорости движения, кривизны траектории движения. При криволинейном движении автомобиля углы увода колёс одной оси не одинаковы, т.к. не равны действующие на них моменты, не равны также и коэффициенты сопротивления уводу лес одной оси. Зависимость коэффициента сопротивления статическому уводу может быть получена экспериментально, а динамическому уводу аналитически, из условия нагружения оси боковой силой.
При этом углы динамического увода осей корректируются коэффициентами, введёнными Антоновым Д.А. [4], а затем дополняются углами кинематического увода, величины которого рассчитываются по рекомендациям Литвинова А.С. [64]. По рекомендации Фаробина Я.Е. из девяти корректирующих коэффициентов углов динамического увода осей, предложенных Антоновым Д.А., достаточно использовать три:
. (11)
Учёт нелинейности зависимости боковой силы от угла увода введён также Литвиновым А. С. [4] коррекцией коэффициента Ку:
(12)
где - коэффициент, зависящий от формы контактной площадки и характера распределения нормальных элементарных реакций (принят =0,45).
Куюковым В.В. угол, образованный между продольной осью автомобиля и вектором поступательной скорости (приведенный угол увода) рассматривается как сумма углов, образующихся вследствие боковой упругости шин, наклона колёс, поворота неразрезной оси и эластичности деталей рулевого управления :
. (13)
Им же показано, что учёт кинематического увода осей и введение в расчётные уравнения эмпирических коэффициентов связи значительно повышают точность расчёта и расширяют основы аналитического метода прогнозирования поворачиваемости автомобиля. При этом, эластичность деталей РУ способствует недостаточной поворачиваемости .
Зависимость изменения коэффициента сопротивления боковому уводу от угла увода эластичной шины (рис.3) учитывалась по результатам, полученным А.С. Литвиновым и Я.Е. Фаробиным [4].
Рис.3. Зависимости коэффициента сопротивления уводу от угла увода
и нагрузки на колесо легковых автомобилей
Учитывая, что как углы увода, так и смещения в кинематической цепи РП могут быть определены статически, а затем пересчитаны в динамические величины, а измерение, как углов увода, так и углов поворота управляемых колёс на величину смещений в РП производится в одних условиях (режимы движения и др. факторы), при действии одного и того же момента в данное мгновение времени, то зависимость между критерием качества РП и углом бокового увода эластичной шины для заданного режима движения может быть выражена:
а) для наружного колеса:
(14)
б) для внутреннего колеса: (15)
Причём, знаки «+» и «-» зависят от режима нагружения рулевого привода, т.е. движения со свободным рулём или с фиксированным рулевым колесом.
2.4 Средний угол поворота управляемых колёс -
Средний угол поворота управляемых колёс оказывает прямое влияние на изменение расстояния между дисками колёс при их повороте, т.е. на изменение схождения, которое может быть выражено:
(16)
Откуда условие положительного значения схождения колёс имеет вид:
(17)
Для легковых автомобилей рассматриваемого класса схождение управляемых колёс становится равным нулю при = 5-7°. Для моделирования использована экспериментальная зависимость изменения схождения от среднего угла поворота управляемых колёс для модели ВАЗ-2105 (рис. 4).
Рис. Экспериментальная зависимость изменения схождения от угла поворота управляемых колёс автомобиля ВАЗ-2105
2.5 Соотношение углов поворота управляемых колес - В/Н
Критерий качества РП оказывает определяющее влияние на соотношение углов поворота управляемых колёс, т.к. последнее зависит как от жёсткости, так и от уровня технического состояния рулевого привода. В свою очередь, соотношение углов поворота определяет изменение критерия качества РП посредством различного характера нагружения деталей РП в процессе неустановившегося криволинейного движения.
В работах Немцова Ю.М. на основе серии экспериментальных исследований, выполненных МАМИ совместно с АЗЛК, показано, что соотношение углов поворота управляемых колёс оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства, прежде всего на поворачиваемость и износ шин. Причём, соотношение углов поворота УК определяет в значительной степени величины, направление и распределение по осям и колёсам реакций боковых сил и возникающих при этом углов увода.
А прямое влияние боковых сил выражается в том, что при действии их на автомобиль за счёт податливости деталей подвески, рулевого привода и несущей части кузова каждое из управляемых колёс поворачивается на некоторый угол в ту или другую сторону, что вызывает изменение, как средней величины угла поворота, так и их соотношения.
При моделировании рассмотрены четыре типа рулевых приводов, указанных в «Условных обозначениях». Зависимости изменения углов поворота колёс, а также оптимальные величины для заданного значения боковой силы для каждого из них приведены на рисунке 5. Здесь же показано, что во всех случаях необходимое для получения оптимальных соотношений наибольшее увеличение разности углов поворота внутреннего и наружного управляемых колёс против классического РП требовалось при максимальных скоростях движения и средних (9-17°) углах поворота УК, т.е. при действии на автомобиль наибольших боковых сил.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
2
7
Рис.5. Соотношения углов поворота УК при рулевых приводах 1, 2, 3 и 4; оптимальные соотношения углов поворота УК при режимах движения с боковыми ускорениями 0,1; 0,25; 0,3-0,4
При моделировании использованы также зависимости изменения соотношения углов поворота УК от скорости движения (рис. 6). Причём отмечено, что, если податливость деталей уменьшает схождение, то уменьшаются углы увода передних колёс, увеличивая недостаточную поворачиваемость. Однако косвенное влияние уменьшения схождения вызывает уменьшение углов увода, что уменьшает стабилизирующий момент и тем самым уменьшает недостаточную поворачиваемость.
При этом уменьшение боковых сил на колёсах вызывает уменьшение поперечного перераспределения веса между передними колёсами, что также уменьшает недостаточную поворачиваемость, но это косвенное влияние менее значимо.
Влияние критерия качества РП на соотношение углов поворота УК оценивалось путём изменения угла поворота УК на величину смещений.
Рис. 6. Зависимость соотношения углов поворота управляемых колёс
от скорости движения автомобиля «Москвич-412»
2.6 Углы установки управляемых колёс -
Первоначальные значения углов схождения и развала УК, углов поперечного и продольного наклона оси поворотной стойки (шкворня) передней подвески оказывают прямое влияние на критерий качества РП. т.к. от них зависит величина стабилизирующего момента» определяющего нагрузки в РП, а также интенсивность изменения схождения в эксплуатации.
Влияние начальной величины схождения на интенсивность изменения схождения УК отмечено в работах [43].
Величина начального угла развала УК определяет изменение схождения при ходах подвески, с которой РП связан кинематически. Обосновав возможность сопротивления качению за счет установки колес со схождением,
Ечистов Ю.А. и Слуцкин Н.М. предложили:
(22)
Однако (22) не учитывает изменение силы сопротивления качению вследствие увода шин, поэтому Иларионов В.A. [43] рекомендует:
(23)
Тарасовым А.Я. предложена наименее строгая формула связи:
. (24)
Величина угла поперечного наклона шкворня определяет «весовой» стабилизирующий момент, т.к. вызывает подъём передней части кузова при повороте управляемых колёс, что определяет дополнительное усилие в РП из-за изменения плеча обкатки. Величина угла продольного наклона шкворня определяет «скоростной» стабилизирующий момент, т.к, позволяет использовать реакции на колёсах от действия боковых сил, пропорциональные квадрату скорости, причём он влияет на изменение.
Изменение этих углов Иларионов предлагает описывать [43]:
, (25)
. (26)
2.7 Осевое биение диска управляемого колеса - Вд
Осевое биение диска колёс оказывает влияние на изменение схождения УК в процессе движения с частотой, определяемой скоростью движения:
. (28)
Величина биения вызывает изменение схождения за цикл - оборот колеса, а её значение, равное заводскому допуску (для диска - 1.5 мм, для шины - 2,5 мм), может привести к ошибке измерения схождения, превышающей его первоначальную величину (1-3 мм). Такой характер изменения схождения влечёт за собой появление дополнительных динамических процессов, приводящих к возникновению автоколебаний колёс «шимми», а при больших биениях - срезанию вентиля камеры и снижения БДД.
2.8 Статический прогиб передней подвески - fСТ
Величина статического прогиба подвески определяет критерий качества РП из-за наличия кинематической связи с рулевым приводом. В настоящее время выбор размеров звеньев рулевого привода и получение заданного соотношения углов поворота УК осуществляется графическим методом.
Литвиновым А.С. и др. авторами работы [2] предложен аналитический координатный метод исследования рулевого привода, по которому различные кинематические характеристики РП: передаточное отношение, углы, скорость и ускорение поворота управляемых колёс можно представить как функцию двух переменных: угла поворота рулевой сошки и перемещения подвески. Здесь же [2] приведены результаты расчёта на рулевого привода автомобиля «Москвич-2140» рассматриваемого класса, что позволяет использовать их для моделирования.
2.9 Осевое усилие пружины шарнира рулевых тяг - FПР
Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что осевое усилие пружины рулевого шарнира оказывает значимое влияние формирование смещений в кинематической цепи РП при действии в нём усилия с учётом количества рулевых шарниров. Осевое усилие пружины шарнира, обеспечивая силовое замыкание элементов рулевого шарнира, определяет »их смещение в радиальном направлении , вызывая изменение схождения УК на величину, соизмеримую с начальным значением.
Результаты экспериментального исследования влияния осевого усилия пружины на критерий качества РП для выборки (50 ед.) новых рулевых шарниров позволили получить корреляционную зависимость (R=0,83):
, (29)
для: усилия в РП - 40 даН, диапазона усилий пружины - от 5 до 70 даН.
3. Анализ связей критерия качества рулевого привода с эксплуатационными факторами граф-модели рулевого привода
3.1 Усилие, действующее в рулевом приводе - Fpn
Эксплуатационные факторы вызывают изменение начальной величины критерия качества РП, т.к. влияют на смещения в кинематической цепи рулевого привода и действующие в нём усилия. В свою очередь, они определяются режимами движения, дорожными условиями и техническим состоянием функциональных систем автомобиля.
Величина усилия в рулевом приводе зависит, прежде всего, от режима движения и вызывается действием стабилизирующего и тормозного моментов. Момент, действующий на управляемое колесо, компенсируется активным моментом, определяемым произведением усилия в РП, приложенного к рычагу поворотной цапфы, на его длину. Тогда усилие в РП определится после алгебраического сложения усилий на обоих рычагах поворотных цапф с учётом направления момента на них.
Величина усилия в РП в зависимости от движения автомобиля со свободным рулем или фиксированным рулевым колесом определится согласно выражениям. В тормозном режиме усилие в левом приводе может быть определено с учётом действия тормозного момента на плече обкатки:
. (30)
Исследование влияния параметров рулевого управления на устойчивость автомобиля при торможении с учётом бортовой неравномерности действия тормозных механизмов автомобилей рассматриваемого класса выполнен Железновым Е.И. Им отмечено, что в начальный период торможения (соответствующий выбору зазоров в рулевом управлении) увеличение курсового угла происходит наиболее интенсивно и сопровождается колебаниями колёс. При этом максимальный угол поворота управляемых колёс автомобиля УАЗ-451М достигал 0,047 рад (2,8°).
3.2 Скорость движения в направлении продольной оси - Vа
Прямое влияние скорости движения автомобиля на изменение критерия качества РП заключается в создании усилия в рулевом приводе за счёт касательных реакций на управляемых колёсах, увеличивающихся с увеличением скорости движения. Косвенное влияние состоит в изменении углов увода управляемых колёс, что определяет характер изменения нагружения рулевого привода и формирования смещений в нём.
Так, из серии экспериментальных исследований выполненных Немцовым Ю.М. на автомобилях рассматриваемого класса следует, что скорость движения влияет на изменение углов увода передней оси и разности углов увода осей. При этом Немцовым Ю.М. с целью повышения точности результатов применялся метод параллельного графического осреднения, основанный на том, что при одинаковых внешних условиях, независимо от времени, значения любого параметра, характеризующего управляемость, при той же скорости и углах поворота УК одинаковы, а изменение их при установившихся режимах движения происходит плавно. Принципиальные положения этого метода распространены на ряд факторов граф-модели эксплуатационного состояния рулевого привода автомобилей.
Аналитическая зависимость изменения угла схождения от скорости движения предложена Литовченко Н.Н.. При выводе этой зависимости рассматривалась система сил, приведённая к центру контакта, под действием которой колесо поворачивалось вокруг шкворня:
, (31)
где- сила сопротивления изменению схождения,
Литовченко Н.Н. отметил, что на изменение схождения колес в движении влияют начальное схождение, сила, вызванная развалом ускорение движения, техническое состояние РП, сопротивление качению.
3.3 Величина дисбаланса управляемых колёс - Д
При качении неуравновешенного колеса с постоянной линейной скоростью, вследствие периодического изменения угловой скорости его вращения, изменяется продольная сила взаимодействия колеса с дорогой. Последнее вызвано изменением динамического радиуса качения колеса вследствие изменения вертикальной составляющей центробежной силы, действующей на колесо.
Горизонтальная составляющая центробежной силы от неуравновешенности массы создаёт момент, действующий в горизонтальной плоскости, который поворачивает колесо вокруг шкворня на некоторый угол на величину смещений в РП, вызывая изменение критерия качества рулевого привода.
Наиболее полный анализ влияния величины дисбаланса на колебания управляемых колёс выполнен в диссертационной работе Яресько B.C., где отмечено что амплитуда колебаний сбалансированных колёс достигает 3,5-4 мм при скорости 70 км/час, приведенная к диску колеса автомобиля «ГАЗ-21», а при наличии дисбаланса достигает 8-12 мм, т.е. увеличивается в 2,5-3 раза.
Для моделирования использовано выражение для определения угла поворота колеса, полученное частным решением уравнения вынужденных колебаний, управляемых колёс вокруг шкворней:
, (32)
где - амплитуда колебаний управляемых колес;
- сдвиг фаз между вынужденными колебаниями и колебаниями возмущающей силы;
- собственная частота колебаний колеса;
- частота возбуждения.
3.4 Величина пробега автомобиля - La
Величина пробега влияет на изменение критерия качества РП путём изменения схождения за счет процессов износа подвижных сопряжений и деформаций деталей рулевого привода. Так, Бородин Ю.П. отметил, что полный износ рулевых шарниров грузовых автомобилей наблюдается через 30-50 тыс. км, при этом люфт РК увеличивается от износа, сухарей на 2-4°, пружин - 2-3°.
Для шарниров рулевых тяг легковых автомобилей аналогичные исследования выполнены Гамаюновым В.Н., согласно которым для рулевых шарниров «ГАЗ-24» средний бег составляет 90-96 тыс. км в первом поколении, зазор - 0,3 мм.
При этом, для рулевых шарниров наблюдается классический характер изнашивания. Так, экспериментальными исследованиями Литовченко Н.Н. для автомобилей малого класса установлены размеры соответствующих зон и предложена графическая зависимость изменения схождения УК от пробега (рис. 7), использованная при моделировании.
Здесь период приработки соответствует пробегу 3-4 тыс. км период установившегося изнашивания - 8-10 тыс. км и период прогрессивного изнашивания - 2-4 тыс. км, после регулировок цикл повторяется.
Рис. 7. Зависимость изменения схождения управляемых колёс
при эксплуатации автомобиля «М-430»
3.5 Величина зазоров в сопряжениях рулевого привода -
Величина зазоров в РП, отнесённая к единице усилия, наряду с упругостью является второй компонентой критерия качества РП. Характерной особенностью влияния зазоров в подвижных сопряжениях на критерий качества РП является резкое увеличение скорости переходных процессов наличие нагрузок ударного характера в рулевом приводе, что усложняет анализ динамики поворота автомобиля.
Так, анализируя влияние зазоров в РУ на скорость поворота управляемых колёс Я.Е. Фаробин показал, что, если в обычных условиях скорость поворота управляемых колёс составляет 0,015-0,1 1/с, то при наличии зазоров под действием моментов на управляемых колёсах их скорость поворота может находиться в пределах 0,015-0,6.
По результатам экспериментальных исследований и регрессионного анализа, для усилия в РП 40 даН величина зазоров в РП оценивалась по остаточной деформации (необратимым смещениям), получена зависимость:
. (33)
3.6 Изменение жёсткости пружины рулевого шарнира - Fnp
Отмеченное ранее явление увеличения смещений в РП в радиальном направлении элементов рулевых шарниров при уменьшении жёсткости осевой пружины прогрессирует по мере износа элементов подвижных сопряжении РП. По результатам экспериментальных исследований выборки рулевых шарниров, снятых с эксплуатации отмечено значительное уменьшение жёсткости пружины с 40 до 3-5 даН, а в 8-10 % - её поломка. С учётом допущений, принятых для новых шарниров, получено:
. (34)
3.7 Изменение угла развала управляемых колёс -
Изменение величины угла развала УК в процессе эксплуатации вызвано износом и деформацией сопряжении РП. динамическим прогибом подвески, креном кузова, углом поперечного профиля дороги и др. факторами, определяемыми режимами движения и дорожными условиями.
Для моделирования использована уточнённая зависимость (24):
. (35)
3.8 Угол поперечного наклона (крена) кузова -к
При вертикальном ходе подвески колесо поворачивается на небольшой угол к продольной оси, кроме того, УК перекатываются и в продольном направлении, вызывая их доворот. Причём, поворот обоих УК происходит в сторону крена, способствуя увеличению недостаточной поворачиваемости. Угол крена является функцией от бокового ускорения и зависит от скорости движения. Эти зависимости приведены Волковым B.C. (рис. 8 и рис. 43.9) и использованы при моделировании.
Рис.8 Доворот управляемых колёс от крена кузова
Рис. 9. Зависимость угла крена кузова от скорости движения
3.9 Угол поперечного профиля дороги - д
При движении по дороге с поперечным наклоном водитель вынужден для сохранения прямолинейного движения поворачивать РК, тем самым вызывая появление боковых реакций на УК и увод шин. Так, Телегин В.М. отметил, что для сохранения прямолинейного направления для ПАЗ - 672 на дороге с уклоном 2° РК поворачивается на 3,5°, а MPK=9даН см.
Влияние смещений в рулевом приводе на поворачиваемость автомобиля.
Активную безопасность автомобиля в значительной степени определяет его поворачиваемость, которой принято считать свойство автомобиля отклоняться в результате увода от направления движения, определяемого положением управляемых колёс. Я.Е. Фаробин определяет поворачиваемость как свойство АТС изменять кривизну траектории движения с изменением скорости движения. В.A. Иларионовым [4] предложена в качестве показателя поворачиваемости двухосного автомобиля разность углов увода передней и задней осей:
. (36)
Оптимальное значение показателя поворачиваемости находится в пределах 2-30 при действии на автомобиль поперечной силы, равной 0,3-0,4 силы его тяжести.
Для анализа связей между углами поворота управляемых колёс, углами увода осей и колёс и смещениями в кинематической цепи рулевого привода воспользуемся схемой (рис. 10). Из схемы поворота автомобиля следует, что при равномерном криволинейном движении автомобиля, часть рулевого привода, принадлежащая наружному управляемому колесу, во время поворота сжимается, вызывая уменьшение схождения управляемых колёс. Часть же рулевого привода, принадлежащая внутреннему управляемому колесу, растягивается, а колесо стремится повернуть в сторону увеличения схождения УК.
В момент силового замыкания в кинематической цепи РП, когда на автомобиль не действуют переменные возмущающие силы, влияние смещений в РП на параметры поворота незначимо. В случае же нарушения силового замыкания, вызванного действием переменных по модулю и направлению сил и моментов, смещения в кинематической цепи, значит и критерий качества РП, оказывают значимое влияние на параметры поворота: мгновенный радиус и смещение полюса поворота, а также на скорость изменения углов увода управляемых колёс.
0 - с нейтральной поворачиваемостью, 1 - с недостаточной поворачиваемостью, 2 - с избыточной поворачиваемостью.
Рис. 10. Схема для определения зависимостей между углами поворота передних колёс, углам увода осей и колёс и смещениями в кинематической цепи рулевого привороте при повороте автомобиля
Экспериментальные исследования стабилизирующих моментов на управляемых колёсах в дорожных испытаниях и упругости рулевого привода в лабораторных исследованиях показали, что смещения в кинематической цепи правой и левой (по ходу движения), а также внутренней и наружной (по отношению к центру поворота) половин рулевого привода не равны между собой, но связаны соотношениями:
, (37)
. (38)
Смещения в кинематической цепи каждой половины рулевого привода оказывают различное влияние на изменение углов увода соответствующих колёс передней оси. Причём, при изменении угла увода передней оси угол увода задней оси такие, не остаётся постоянным, что влияет на их разность, т.е. на поворачиваемость. Смещения в кинематической цепи, кроме того, непосредственно влияют на угол поворота управляемых колёс, вызывая их самоповорот.
В каждое мгновение угол поворота управляемого колеса, заданный рулевым механизмом, изменяется в общем виде:
, (39)
. (40)
Таким образом, поворачиваемость связана со смещениями в РП посредством угла увода передней оси и коэффициента сопротивления шин боковому уводу. Рассмотрев зависимость изменения мгновенного радиуса поворота с учётом величин моментов на управляемых колёсах можно оценить степень влияния смещений в РП на поворачиваемость.
Радиус поворота в рассматриваемых условиях движения можно определить по рекомендациям Фаробина Я.Е. Литвинова А.С. [64]:
(41)
поворота управляемых колёс происходит только за счёт изменения углов увода, вызванных наличием смещений в рулевом приводе.
В случае движения автомобиля с «фиксированным рулевым колесом» при входе в поворот углы поворота управляемых колёс изменяются, кроме того, ещё и непосредственно на величину смещений, тогда [49] будет
. (42)
В случае движения автомобиля по траектории, близкой к прямолинейной, влияние изменения углов увода незначимо ввиду их малых величин. Смещения в РП оказывают прямое влияние на угол поворота УК:
. (43)
Окончательно текущее значение угла увода передней оси:
. (44)
Причём выражение (41) определяет не только величину, но и знак второго слагаемого формулы (43),т.к. включает величины коэффициентов сопротивления уводу каждого колеса оси и коэффициент связи между смещениями частей РП, принадлежащих наружному и внутреннему колесу.
Таким образом, показатель степени поворачиваемости автомобиля (36) с учётом смещений в кинематической цепи РП принимает вид:
. (45)
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных Немцовым Ю.М. показали, что зависимости изменения разности углов увода осей от угла поворота УК носят линейный характер. Это подтверждает целесообразность использования линейного характера поворачиваемости от смещений в РП для углов увода до 8-10°.
С помощью полученных выражений для мгновенного радиуса поворота и поворачиваемости можно получить ряд характеристик управляемости и устойчивости, что может быть использовано при моделировании основных режимов движения автомобиля.
3.10 Курсовая устойчивость -
Многими авторами отмечено, что для аналитического определения параметров устойчивости и управляемости отсутствуют общепризнанные методики расчёта, в тоже время их зависимость от критерия качества РП очевидна, [64 и др.]. Наиболее полным аналитическим исследованием курсовой устойчивости следует считать выполненное Литвиновым А.С.[64], рассмотревшим линейные и нелинейные, одно и двух массовые математические модели автомобилей.
Для решения задач, поставленных в работе, исследование влияния критерия качества РП выполним при допущении постоянства всех факторов, определяющих изменение углов увода, кроме момента на колесе и его дополнительного поворота на величину смещений в РП
Используем оценочные параметры и методику их определения, рекомендованные Фаробиным Я.Е. :
а) статическая курсовая устойчивость - оценочный параметр угол дрейфа, под которым понимается угол между вектором скорости точки проекции кинематического центра на продольную ось и продольной осью, т.е. для двухосного автомобиля это угол увода середины задней оси. Исходя из возможности ликвидации дрейфа углом поворота рулевого колеса не большим 120° при передаточном отношении РМ около 15:
.
при боковом ускорении 4 м/с и скорости движения от 40 до 100 км/ч. Эта характеристика оценивает склонность автомобиля к заносу;
б) курсовая устойчивость при резком повороте руля («рывок руля») - оценочный параметр - отклонение мгновенного значения реакции от её установившегося значения в %, при боковом ускорении 4 м/с, повороте руля от 0,5 до 5,5 рад и скорости его поворота не менее 8,5 рад/с. Нормируется зависимость оценочного параметра от времени, которая характеризует процесс входа в поворот при различных углах поворота РК и скорости движения при конечном боковом ускорении 4 м/с. Область её допустимых значений приведена [1];
в) курсовая устойчивость при освобождении рулевого колеса повороте - оценочный параметр - курсовой угол, зависимость которого от времени нормируется при боковом ускорении 4 м/с и скорости движения 40-80 км/час. Эта зависимость позволяет оценить стабилизирующее свойство автомобиля, а область её допустимых значений приведена на рисунке 40 работы [1].
Для оценки влияния критерия качества РП на курсовую устойчивость при торможении, когда имеют место наибольшие смещения в кинематической цепи рулевого привода, также воспользуемся методикой, рекомендованной Фаробиным Я.Е. .
Представим угловую скорость поворота автомобиля как производную по времени от курсового угла, причём учитывая изменение угла поворота управляемых колёс на величину смещений в рулевом приводе:
. (46)
Из уравнения движения автомобиля при торможении скорость торможении можно представить следующим выражением:
. (47)
Cкорость движения определим с учётом допущений: угол поворота в процессе торможения постоянен, а колёса заблокированы и их моментами инерции можно пренебречь.
Радиус поворота является также переменной во времени величиной, зависящей от скорости движения автомобиля, коэффициентов сопротивления уводу колёс и осей коэффициента смещений в рулевом приводе (41).
Подставив выражения (47) и (42) в формулу (46) получим:
. (48)
Введем обозначения:
Тогда выражение (48) принимает вид:
. (49)
Разделим переменные и возьмём от обеих частей равенства (49) определённые интегралы:
. (50)
Интегрируя в соответствующих пределах получим:
(51)
Причем, должно соблюдаться условие на отрезке [0;], иначе расчёты не правомочны.
Таким образом, окончательное выражение для курсового угла с учётом величины смещений в РП приобретает следующий вид:
. (52)
Приведенные оценочные параметры и расчётная методика использованы при моделировании процесса изменения эксплуатационных свойств автомобилей.
3.11 Чувствительность к управлению -
Результаты исследований взаимосвязи между конструктивными особенностями и параметрами элементов системы «подвеска - рулевое управление» и характеристиками управляемости легкового автомобиля изложены Литвиновым А.С., Фиттерманом Б.М. и Немцовым Ю.М., где показано, что к общепризнанным измерителям следует добавить ряд измерителей, в том числе комплексный, определяемый по взаимной корреляции углов поворота рулевого колеса и средней скорости бокового смещения автомобиля, характеризующий тесноту взаимосвязи между поворотами рулевого колеса и отклонениями автомобиля, т.е. послушность поворотам РК.
Зависимость изменения этого показателя управляемости от скорости движения для различных комбинаций подвесок автомобиля-макета показана на рисунке 11. Чем выше показатель, тем лучше реакции автомобиля на управление. Однако он не пригоден для аналитического исследования, но использован для сравнения результатов в процессе моделирования.
Рис. 11. Зависимость показателя управляемости от скорости движения и сочетания параметров подвесок
Фаробин Я.Е. [1] рекомендует для оценки управляемости использовать понятие статической траекторной управляемости, оценочный параметр которой - отношение угловой скорости к скорости движения автомобиля в продольном направлении. При постоянном боковом ускорении 4 м/с это отношение равно кривизне траектории движения, зависимость которой от угла поворота рулевого колеса нормируется .
Учитывая, что в работе рассматривается рулевой привод отдельно, для анализа влияния смещений в кинематической цепи РП на управляемость воспользуемся комплексным измерителем - чувствительностью автомобиля к повороту руля:
, (53)
которая является и характеристикой его устойчивости, т.к. легко преобразуется в диаграмму устойчивости, представляющую собой зависимость бокового ускорения от разности углов увода осей.
Анализ влияния характеристик и состояния рулевого привода, т.е. критерия качества РП на чувствительность к управлению выполним по рекомендациям и методике, изложенным Носенковым М.А. и др. авторами в серии статей [49,50 и др.]. В заключительной статье этой серии предлагается следующее выражение [50]:
. (54)
где - кинематическая чувствительность к повороту руля.
При этом, исходя из требований эргономики (угол поворота руля для корректировки-траектории не более 2,1 рад) и считая линейной зависимость кривизны траектории от угла поворота рулевого колеса, для сохранения устойчивого движения легковым автомобилем чувствительность к управлению должна быть большей 0,005 м-1 (при у = 5,5 м/с2).
Считая в (5) переменной величиной разность углов увода осей, зависимость которой от величины смещений в РП исследована ранее, для условий движения соответствующих нормативам [9], т.e. при боковом ускорении 4 м/с2 и скорости движения 80 км/час, аналитически определим величины чувствительности автомобиля к управлению. Затем, пользуясь результатами экспериментальных исследований [4], выполненных на автомобилях рассматриваемого класса, оценим изменение реакций автомобиля в зависимости от смещений в РП, т.к. зависимость между величинами чувствительности к управлению и кин линейна.
Зависимости показанные на рисунке 12, получены определением целесообразности повышения чувствительности к управлению относительно величин, определяемых эргономическими рекомендациями, а также для оценки управляемости автомобиля при движении по прямолинейному участку дороги и при объезде неожиданного препятствия. Это:
а) «коридор» длиной 700 м, шириной на 0,5 м больше ширины автомобиля, при скорости движения 80 км/час. Управляемость оценивалась по средней угловой скорости корректирующих поворотов руля.
б) «переставка» - смена полосы шириной 3,5 м на длине пути 24 м.
Показатели управляемости: предельная скорость по возможности удержания автомобиля в пределах размеченной полосы и скорость начала заноса, характеризующая первый уровень снижения надёжности управления, который требует дополнительной коррекции курсового угла.
Рис. 12. Зависимость показателей управляемости при прямолинейном движении и при объезде неожиданного препятствия от величины кинематической чувствительности к управлению
Носенковым M.A. [4] отмечено, что с ростом чувствительности к повороту руля улучшаются все показатели управляемости, это соответствует также выводам Гинцбурга Л.Л. При этом, несмотря на значительное повышение чувствительности исследованного автомобиля к повороту руля, предельная величина, превышение которой приводит к существенным колебаниям автомобиля, т.е. ухудшению управляемости, не обнаружена. Однако она ограничена усилием на рулевом колесе до 60-80 Н.
Если измерить величину недостаточной поворачиваемости отношением разности углов увода осей к базе автомобиля при заданном боковом ускорении, то её рациональная величина, согласно работе Певзнера Я.М., при условии линейности стационарных характеристик будет [8]:
. (55)
Очевидно, что критерий качества РП влияет на угол и скорость корректирующих поворотов руля. Это влияние может быть оценено, используя рекомендации Гинцбурга Л.Л. [2, 8].
Характеристики и состояние РП влияют также и на усилие на рулевом колесе, в том числе и при установившемся круговом движении, что является оценочным параметром стабилизирующего свойства рулевого управления. Фаробин Я.Е. указывает нормированные пределы усилия на рулевом колесе от 60 до 120 Н при боковом ускорении 4 м/с2 и скоростях движения 40 и 80 км/час. Нижний предел связан с порогом различимости, верхний - интенсификацией физической усталости водителя.
Значимое влияние на реакции автомобиля. на управление оказывает исследованный ранее момент сил трения в рулевом приводе, на что указано Иларионовым В. А. [3], отметившем также его положительное влияние на стабилизацию управляемых колёс и курсовую устойчивость.
4. Исследование процесса изменения эксплуатационного состояния рулевого привода и эксплуатационных свойств автомобилей
Граф-модель эксплуатационного состояния рулевого привода была реализована в форме детерминированной математической модели на ЭВМ «ЕС- 1020» в вычислительном центре Шахтинского научно-исследовательского угольного института им. А.М. Терпигорева. При этом были использованы стандартные программы из математического обеспечения ЭВМ.
Принципиальная блок-схема алгоритма моделирования приведена в Приложении Б. Учитывая, что граф-модель эксплуатационного состояния РП показывает связи между факторами, а их математическое описание рассмотрено ранее подробно, основной алгоритм из-за значительного объёма не приводится. Рабочая программа моделирования процесса изменения эксплуатационного состояния РП и эксплуатационных свойств автомобилей, разработанная на базе граф-модели рулевого привода, была составлена автором совместно с кандидатом технических наук Науменко В.И.
Моделирование производилось по циклам, воспроизводящим режимы движения и другие эксплуатационные факторы, путём перебора совокупностей факторов, определяющих характеристики и состояние рулевого привода. В каждом случае определялись величины критерия качества РП, а затем оценивалась степень и характер его влияния на изменение рассмотренных ранее эксплуатационных свойств. Причём, результаты анализировались с точки зрения возможности одновременного действия отдельных факторов по физической сущности рабочих процессов в РП.
Исходные данные для моделирования, включающие средние величины интервал и шаг варирования параметров автомобиля и начальных условий, приведены Приложении В. Рабочая программа моделирования предусматривала распечатку рекомендаций по поддержанию заданного уровня эксплуатационного состояния РП по критериям эксплутационных свойств (Приложение Д).
4.1 Определения значимости влияния конструктивных и эксплуатационных факторов граф-модели на критерий качества рулевого привода
Величины критерия качества РП определялись при наибольших, взятых для моделирования, значениях конструктивных и эксплуатационных факторов и округлялись в сторону увеличения с учётом превышения принятых допустимых величин перечисленных факторов на 10-15%.
По результатам моделирования были построены диаграммы значимости («веса») влияния каждого фактора на величину критерия качества РП, приведённые на рисунках 13 и 13 при условии действия в рулевом приводе экстремальной нагрузки 100 даН.
Так, из рисунка 13 следует, что значимость влияния угла увода эластичной шины в 3 раза превышает влияние следующих факторов, задаваемых при проектировании: стабилизирующего момента, среднего угла поворота и соотношения углов поворота управляемых колёс. Затем следуют начальные углы схождения и продольного наклона шкворня, упругость РП и осевое биение диска и шины.
Менее значимы начальные углы развала и поперечного наклона шкворня, статический прогиб передней подвески и жёсткость пружины рулевого шарнира, при потере которой смещение в кинематической цепи рулевого привода достигает 1,5 мм.
Влияние эксплуатационных факторов на критерий качества РП более равномерно (рис. 14), а наиболее значимы пробег автомобиля, зазоры в кинематической цепи РП, потеря жёсткости (поломка) пружин рулевых шарниров, усилие в рулевом приводе (при торможении), наличие и величина дисбаланса управляемых колёс и скорость движения автомобиля в продольном направлении. Менее существенна значимость влияния изменения углов развала колёс, наклона кузова и поперечного профиля дороги.
Рис. 13. Диаграмма значимости влияния конструктивных факторов на критерий качества рулевого привода при усилии 100 даН
Подобные документы
Характеристика состояния рулевого привода легковых автомобилей. Оборудование для лабораторных и стендовых исследований рулевого привода и шарниров рулевых тяг. Особенности проведения дорожных испытаний. Результаты экспериментальных исследований.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 22.03.2011Устройство рулевого привода грузового автомобиля. Внешний контроль технического состояния деталей привода, оценка работы ограничителей поворота. Регулировка зазоров в продольной тяге. Перечень возможных неисправностей, связанных с рулевым приводом.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 22.05.2013Устройство гидравлического привода рулевого управления Honda CRV, его неисправности и способы их устранения. Операции технического обслуживания и текущего ремонта гидравлического привода. Изменение технического состояния в процессе эксплуатации.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.01.2014Особенности конструкции и условия эксплуатации Ан-74. Качественный анализ эксплуатационной технологичности и надежности. Исследование причины появления не допускаемой течи масла АМГ-10 по штоку рулевого привода РП-230. Расчет изнашивания уплотнения.
курсовая работа [783,7 K], добавлен 11.10.2013Требования, предъявляемые к конструкции агрегата, назначение и условия работы. Характеристика и описание конструкции. Расчет деталей, определяющих работоспособность механизма. Определение наиболее нагруженного узла. Техобслуживание рулевого привода.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 22.10.2014Анализ конструкции рулевого управления автомобиля ЗИЛ-431410. Исследование устройства и назначения рулевого механизма. Обзор характерных неисправностей рулевого управления, их признаков, основных причин и способов устранения. Разработка маршрутной карты.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 16.03.2014Расчет моментов сопротивления на баллере руля. Построение и расчет нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства. Проверка двигателя на допустимое число включений в час. Расчет переходных процессов. Описание работы схемы электропривода.
курсовая работа [488,1 K], добавлен 28.01.2013Обзор схем и конструкций рулевых управлений автомобилей. Описание работы, регулировок и технических характеристик проектируемого узла. Кинематический, гидравлический и силовой расчет рулевого управления. Прочностные расчеты элементов рулевого управления.
курсовая работа [6,6 M], добавлен 25.12.2011Технологический процесс ремонта рулевого управления автомобиля ВАЗ 2104. Увеличенный свободный ход рулевого колеса. Измеритель суммарного люфта рулевого управления. Стенд развал-схождение, его тестирование. Оборудование и инструмент для ремонта.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 25.12.2014Создание двухканального рулевого привода маневренного самолета, работающего от одной гидросистемы РПД-28. Назначение область применения привода, технические характеристики. Описание и обоснование выбранных схемотехнических решений и конструкций.
дипломная работа [8,2 M], добавлен 14.09.2012
