Виброзащитные свойства подвесок автотранспортных средств


МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


В. В. Новиков, И. М. Рябов, К. В. Чернышов







ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОДВЕСОК АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Монография

Второе издание, исправленное и дополненное










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 629.3.027
ББК 34.448
       Н73




Рецензенты:
заведующий кафедрой колесных машин МГТУ им. Н. Э. Баумана доктор технических наук, профессор Г. О. Катаев;
заведующий кафедрой информатики, теоретической механики и основ научных исследований ВГСХА, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Н. Г. Кузнецов;
профессор МУ МВД РФ, доктор технических наук И. Е. Кущев





     Новиков, В. В.
Н73     Виброзащитные свойства подвесок автотранспортных средств : моногра     фия / В. В. Новиков, И. М. Рябов, К. В. Чернышов. - 2-е изд., испр. и доп. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 384 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0634-5

      Изложены научные принципы повышения виброзащитных свойств подвесок АТС, основанные на граничных амплитудно-частотных характеристиках и методах энергетического анализа. Приведены характеристики и виброзащитные свойства пневмогидравлических рессор, подвесок с гидравлическими, пневматическими и инерционными амортизаторами. Рассмотрены пневмогидравлические рессоры, гидравлические, пневматические и инерционные амортизаторы с улучшенными характеристиками.
     Для научных и инженерно-технических работников автомобилестроения. Может быть полезно преподавателям, аспирантам и студентам технических вузов.

УДК 629.3.027
ББК 34.448





ISBN 978-5-9729-0634-5

  © Новиков В. В., Рябов И. М., Чернышов К. В., 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Волгоградский государственный технический университет, 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение .................................................7
1. АНАЛИЗ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОДВЕСОК АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (АТС)............................10
  1.1. Анализ плавности хода и путей повышения виброзащитных свойств подвесок АТС.....................................10
  1.2. Классификация пневмогидравлических рессор (ПГР) и задачи по их совершенствованию ........................26
1.3. Анализ виброзащитных свойств подвесок АТС с гидравлическими амортизаторами ......................33
1.4. Анализ виброзащитных свойств подвесок АТС с пневматическими амортизаторами.......................37
  1.5. Анализ схем инерционных амортизаторов.............45
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОДВЕСОК АТС........................48
  2.1. Задачи теории подрессоривания и параметры плавности хода..........................................48
  2.2. Оценка виброзащитных свойств и синтез параметров подвесок АТС по граничным амплитудно-частотным характеристикам....................................... 55
     2.2.1. Алгоритм оценки виброзащитных свойств подвесок АТС по граничным амплитудно-частотным характеристикам ....................................55
     2.2.2. Анализ виброзащитных свойств подвесок АТС по граничным амплитудно-частотным характеристикам.....................................61
     2.2.3. Синтез параметров подвески АТС по граничным амплитудно-частотным характеристикам.................66
  2.3. Энергетический анализ совместной работы упругого и демпфирующего элементов подвески АТС...................70
     2.3.1. Сравнение амортизаторов по коэффициенту эффективной работы (КЭР) ............................70
     2.3.2. Анализ потоков энергии в цикле колебаний подвески АТС.........................................79

3

     2.3.3. Алгоритм оптимального регулирования амортизатора на основе принципа максимума Л. С. Понтрягина......86
  2.4. Потенциальные виброзащитные свойства подвесок АТС при мгновенном регулировании амортизатора по фазе, направлению и частоте..................................92
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕССОР (ИГР).......................109
  3.1. Характеристики и виброзащитные свойства ПГР без разделителя жидкости и газа (ПГРБ).................109
     3.1.1. Упругие характеристики ПГРБ ...............110
     3.1.2. Демпфирующие характеристики ПГРБ ..........115
     3.1.3. Трение уплотнений ПГРБ ....................120
     3.1.4. Виброзащитные свойства ПГРБ ...............124
  3.2. Характеристики и виброзащитные свойства ПГРБ с двумя ступенями жесткости упругой и демпфирующей характеристик (ПГРБ-2С) ...............................130
     3.2.1. Упругие характеристики ПГРБ-2С ..................131
     3.2.2. Виброзащитные свойства ПГРБ-2С ..................133
  3.3. Виброзащитные свойства ПГР при регулировании демпфирования по фазе и частоте с помощью маятника.....143
  3.4. Виброзащитные свойства ПГР при регулировании демпфирования по амплитуде и направлению за счет свободного хода плунжера .....................156
  3.5. Виброзащитные свойства ПГР при регулировании демпфирования по амплитуде и частоте с помощью порогового амортизатора ...............................167
  3.6. Стабилизация мощности демпферов ПГР ..................172
  3.7. Стабилизация упругих характеристик ПГР по температуре.183
4. ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОДВЕСОК С ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ АМОРТИЗАТОРАМИ.............................190
  4.1. Виброзащитные свойства подвески с гидравлическими амортизаторами разной мощности.........................190
  4.2. Виброзащитные свойства подвески с саморегулируемым по амплитуде и направлению гидравлическим амортизатором.........................................196

4

5. ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОДВЕСОК С ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ АМОРТИЗАТОРАМИ ....................202
  5.1. Виброзащитные свойства пневматической подвески
     с воздушным демпфером в виде дросселя и обратного клапана.............................202
  5.2. Виброзащитные свойства пневматической подвески с саморегулируемым по амплитуде и направлению воздушным демпфером ................................212
  5.3. Виброзащитные свойства пневматической подвески при совместной работе воздушного демпфера
     и гидравлического амортизатора..................217
6. ВИБРОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОДВЕСОК С ИНЕРЦИОННЫМИ АМОРТИЗАТОРАМИ.........................230
  6.1. Виброзащитные свойства подвесок с маховичными инерционными амортизаторами .........................230
  6.2. Виброзащитные свойства подвесок с инерционно-фрикционными амортизаторами.............235
6.3. Лабораторные и дорожные испытания инерционно-фрикционного амортизатора................246
7. ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РЕССОРЫ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ, ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ И ИНЕРЦИОННЫЕ АМОРТИЗАТОРЫ
  С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ....................251
  7.1. ПГРБ с двумя ступенями жесткости упругой и демпфирующей характеристик........................251
  7.2. ПГР со стабилизацией упругих характеристик при нагреве.254
  7.3. ПГР с демпферами постоянной мощности .........255
  7.4. ПГР с демпфером, саморегулируемым по частоте абсолютных колебаний ................................259
  7.5. ПГР с демпферами, саморегулируемыми по частоте относительных колебаний...................262
  7.6. ПГР с демпферами, саморегулируемыми по амплитуде и направлению относительных колебаний ...............273
  7.7. Гидравлические амортизаторы, саморегулируемые по частоте, амплитуде и направлению колебаний....................291

5

  7.8. Пневматическая рессора с дросселем и обратным клапаном .301
  7.9. Пневматическая рессора с ресивером и двумя воздушными демпферами ..............................................302
  7.10. Пневморессоры с внутренним и внешним воздушными демпфирующими устройствами ..............................304
  7.11. Пневматические рессоры с регулируемым по амплитуде и направлению воздушным демпфером........................318
7.12. Пневматическая рессора с встроенным динамическим гасителем................................................322
  7.13. Инерционно-фрикционные амортизаторы................327
7.14. Задняя пневмоподвеска колес автомобиля с комбинированной демпфирующей системой .................342
  7.15. Инерционно-гидравлические амортизаторы ............344
Литература ................................................358
Приложение А. Допустимые виброускорения, среднегеометрические частоты и спектральные плотности дорожного воздействия ...............................................363
Приложение Б. Расчет надежности модернизированной подвески БелАЗ-548А .........................................375
Приложение В. Расчет экономической эффективности модернизированной подвески БелАЗ-548А .....................378

6

        ВВЕДЕНИЕ


    Динамика движения автотранспортных средств (АТС) особенно на неровных дорогах в значительной степени зависит от виброзащитных свойств подвески кузова, которая непосредственно влияет на плавность хода, среднюю скорость движения, топливную экономичность и другие эксплуатационные качества АТС. Для улучшения этих качеств упругие и демпфирующие характеристики подвески должны изменяться в зависимости от условий движения. Однако на отечественных АТС в основном применяются пассивные нерегулируемые подвески. В результате в типичных условиях эксплуатации вибрации АТС существенно превышают санитарно-гигиенические нормы. Это вызывает ухудшение самочувствия и утомление людей, является причиной профессиональных заболеваний водителей, ускоряет износ дорог и снижает безопасность дорожного движения. Кроме того, при движении по неровным дорогам средняя скорость снижается до 50 %, расход топлива повышается до 70 %, межремонтный пробег уменьшается до 40 %, а потери виброчувствительных грузов достигают 15 . . . 30 %. На военной технике недостаточные виброзащитные свойства подвесок снижают боеспособность экипажа и точность стрельбы с ходу.
    Поэтому повышение виброзащитных свойств пассивных подвесок за счет поиска новых структур и принципов саморегулирования их характеристик в зависимости от условий движения АТС является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное и оборонное значение.
    С точки зрения классификации пассивные подвески современных АТС можно объединить в три основные группы: металлические упругие элементы с гидроамортизаторами, пневморессоры низкого давления с гидроамортизаторами и пневмогидравлические рессоры (ПГР) высокого давления. Поэтому в монографии рассматриваются все эти группы подвесок, повышение виброзащитных свойств которых предлагается по следующим пяти направлениям.

7

    Первое направление заключается в разработке ПГР, обеспечивающих саморегулирование жесткости упругой и демпфирующей характеристик в зависимости от нагрузки и режимов колебаний, а также высокую их стабильность по утечкам рабочей среды и при изменении температуры.
    Второе, третье и четвертое направления связаны с разработкой новых структур, соответственно, гидравлических, пневматических и инерционных амортизаторов, обеспечивающих существенное повышение виброзащитных свойств подвесок и снижение потерь энергии при движении АТС по любых типам дорог.
    Пятое направление состоит в определении оптимальных параметров комбинированных демпфирующих систем, в частности, при совместной работе обычных гидравлических и воздушных или инерционных амортизаторов.
    В монографии изложены теоретические основы создания подвесок с новыми структурами и характеристиками, обеспечивающими высокие свойства виброзащиты АТС, увеличение средних скоростей их движения по различным типам дорог и снижение потерь энергии в подвесках. Эти основы базируются на граничных амплитудно-частотных характеристиках и методах энергетического анализа. Они определяют дальнейшее развитие теории подрессоривания и новые пути создания автоматически регулируемых подвесок.
    Теоретические основы создания подвесок включают следующие новые принципы и методы:
1) методики оценки виброзащитных свойств и синтеза основных параметров подвесок АТС по граничным амплитудно-частотным характеристикам для различных условий движения и допустимых норм вибронагру-женности;
2) теоретическое обоснование на основе методов энергетического анализа и принципа максимума Л. С. Понтрягина существования в цикле колебаний зон неэффективной работы амортизатора и алгоритмов его оптимального регулирования, исключающих или уменьшающих эти зоны;
3) математические модели саморегулируемых подвесок новых структур и инженерные методики их расчета на базе системно созданного множества оригинальных технических решений, а также пространственные модели плавности хода различных АТС с этими подвесками.

8

    На базе данных принципов и методов:
1) выявлены причины низких виброзащитных свойств подвесок современных АТС на неровных дорогах и определены новые направления их совершенствования, в том числе за счет изменения структуры и характеристик ПГР, гидравлических, пневматических и инерционных амортизаторов;
2) определены условия эксплуатации АТС, обеспечивающие соблюдение санитарно-гигиенических норм, а также соответствующие этим нормам значения основных параметров подвески с нерегулируемым и регулируемым демпфированием;
3) дана оценка энергетической эффективности различных амортизаторов и разработаны алгоритмы их оптимального регулирования, исключающие или уменьшающие зоны неэффективной работы в цикле колебаний;
4) уточнены методики расчета характеристик и виброзащитных свойств ПГР без разделителя на стадии проектирования и изменения в процессе эксплуатации, а также разработаны ПГР с новыми структурами и стабильными характеристиками, обеспечивающими существенное улучшение динамики движения колесных и гусеничных машин специального назначения;
5) предложены новые структуры гидравлических, пневматических и инерционных амортизаторов, обеспечивающих повышение виброзащитных свойств и уменьшение потерь энергии в подвесках АТС различного назначения.
    Авторы выражают признательность А. С. Горобцову за помощь в решении задач с помощью программного комплекса ФРУНД, а также Т. А. Славской и Н. Н. Кондратьевой за консультации по оформлению заявок на изобретения.

9

Глава I


        АНАЛИЗ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОДВЕСОК АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (АТС)

1.1. Анализ плавности хода и путей повышения виброзащитных свойств подвесок АТС
   Плавность хода, безопасность движения, топливная экономичность и другие эксплуатационные качества АТС во многом определяются виброза-щитными свойствами подвески кузова, поскольку она является наиболее эффективным гасящим звеном между возбудителем колебаний со стороны дороги и подрессоренной массой. Несовершенство характеристик подвески снижает производительность и срок службы АТС, повышает их эксплуатационные расходы, ухудшает самочувствие людей и сохранность грузов, ускоряет износ и без того некачественных дорог. Например, из опыта эксплуатации АТС известно, что на дорогах с неровной поверхностью средняя скорость движения уменьшается на 40 . . . 50 %, а производительность снижается на 35 ...40 %. Это в основном связано с тем, что вибрации подрессоренной части машины вызывают утомление водителей, создавая для них дискомфортные, а иногда и небезопасные условия, в результате чего водители уменьшают скорость движения. Тем не менее, как показывают проведенные испытания зарубежных и отечественных грузовых и легковых автомобилей, даже снижение скорости все равно не решает проблемы соблюдения допустимых норм вибронагруженности в соответствии с международным стандартом ISO 2631-74 или ГОСТ 12.1.012-2004.
   На рис. 1.1 показаны графики вертикальных средних квадратических ускорений в третьоктавных полосах частот на сиденьях грузовых и легковых автомобилей в зависимости от значений среднегеометрической частоты в третьоктавной полосе (третьоктавные амплитудные спектры


10

вертикальных ускорений), здесь также представлены некоторые соответствующие нормы по стандарту ISO 2631-74. Из сопоставления этих данных следует, что грузовые автомобили не укладываются в границы допустимой утомляемости при продолжительности воздействия Т = 4 ч, а легковые автомобили - в границы комфорта при продолжительности Т = 8 ч.

Рис. 1.1. Третьоктавные амплитудные спектры вертикальных ускорений на сиденьях автомобилей:
а - грузовых; б - легковых; I - граница комфорта по ISO для Т = 8 ч; II и III -границы допустимой утомляемости без снижения производительности по ISO для Т = 8 и 4 ч; 1 и 2 - седельные тягачи с полуприцепами без груза, скоростная автодорога, 89 и 96 км/ч, соответственно; 3 - пикап 3/4 т с грузом, работа в карьере, 16 км/ч; 4 - легковой автомобиль, скоростная автодорога, 96 км/ч; 5 - легковой компактный автомобиль, скоростная автодорога, 96 км/ч; 6 - легковой автомобиль высшего класса

    Типичные интегральные значения среднеквадратических вертикальных виброускорений на сиденьях легковых автомобилей высшего, среднего, малого и особо малого классов в диапазоне частот 0,7 . . . 22,4 Гц приведены в табл. 1.1. Из данной таблицы следует, что с уменьшением класса автомобиля величины виброускорений и их разброс возрастают.
    В отличие от легковых автомобилей значения среднеквадратических вертикальных виброускорений на сиденьях грузовых автомобилей и их разброс значительно больше. В диапазоне скоростей движения 30 . . . 70 км/ч


11

наименьшие величины находятся в пределах 0,5 . . . 1 м/с² при движении по асфальту и 0,7 . . . 1,5 м/с² - по булыжным ровным покрытиям, а наибольшие величины достигают 3,0 . . . 3,5 и 4 . . . 5 м/с², соответственно. Естественно, такие высокие значения виброускорений свидетельствуют о неудовлетворительных качествах систем подрессоривания.


Таблица 1.1
Интегральные значения среднеквадратических вертикальных виброускорений на сиденьях легковых автомобилей (м/с²)

                              Автомобили                  
   Покрытие     Малый и особо Средний класс Высший класс 
                 малый класс                             
Асфальтобетон-    0,7...1,2     0,6...0,8     0,3...0,5  
      ное       (40.110 км/ч) (40.110 км/ч) (50.130 км/ч)
Ровное булыжное   0,9...1,3     0,6...1,0     0,3...0,5  
 или брусчатое  (30.70 км/ч)  (30.70 км/ч)  (30.70 км/ч) 

    Типичные интегральные значения среднеквадратических вертикальных виброускорений на сиденьях и в центре платформы отечественных грузовых автомобилей полной массой 7 . . . 14 т с колесной формулой 4^2 приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Интегральные значения среднеквадратических вертикальных виброускорений грузовых автомобилей (м/с²)

                              Покрытие                 
                  Асфальт      Булыжник     Булыжник  
 Место замера     средней      средней     с крупными 
                изношенности изношенности неровностями
                (40.80 км/ч) (30.60 км/ч) (20.40 км/ч)
    Сиденье       1,4.3,4      1,8.3,5      2,4.5,5   
   водителя                                           
Центр платформы   1,2.2,5      2,0.3,1      2,9.4,9   

12

    На рис. 1.2 показаны третьоктавные амплитудные спектры вертикальных ускорений на сиденьях автобуса ЛиАЗ-5256 при его движении по дороге с асфальтовым и булыжным покрытиями, а в табл. 1.3 приведены типичные интегральные значения этих ускорений в диапазоне частот 0,7 . . . 22,4 Гц.
    Из анализа рис. 1.2 и табл. 1.3 следует, что плавность хода негруженого автобуса примерно в 1,4 . . . 2 раза ниже, чем груженого, а условия труда водителя до 40 % хуже, чем пассажиров, сидящих над передней подвеской, и до 2,6 раз хуже, чем пассажиров, сидящих над задней подвеской. При движении груженого автобуса ЛиАЗ-5256 по асфальту со скоростью 80 км/ч средние квадратические ускорения на пассажирских сиденьях, расположенных над передней подвеской, не превышают границу допустимой утомляемости при длительности непрерывного воздействия 4 ч (кривая 1 на рис. 1.2). На дороге с булыжным покрытием при движении снаряженного автобуса со скоростью 50 км/ч эти ускорения превышают границу допустимой утомляемости при длительности непрерывного воздействия 0,5 ч (кривая 2 на рис. 1.2).


Рис. 1.2. Третьоктавные амплитудные спектры вертикальных ускорений на сиденьях, расположенных над передней подвеской автобуса ЛиАЗ-5256, движущегося со скоростью ва по дороге с асфальтовым и ва.б с булыжным покрытиями:
а - снаряженного автобуса; б - при номинальной загрузке автобуса;
1 и 2 - границы допустимой утомляемости без снижения производительности по ISO для Т = 4 и 0,5 ч

13

Таблица 1.3

Интегральные значения среднеквадратических вертикальных виброускорений на сиденьях автобуса ЛиАЗ-5256 (м/с²)*

                                         Расположение              
Дорожное             Сиденье         пассажирских сидении          
покрытие Скорость   водителя       над         над         на     
         движения,              передней     задней      заднем   
           км/ч                 подвеской   подвеской     свесе   
Асфальт  40...42   1,04 / 0,56 0,93 / 0,48 0,42 / 0,3  0,86 / 0,75
         79...85   1,47 / 0,97 1,09 / 0,78 0,58 / 0,37 1,86 / 1,05
Булыжник 17.19     2,06 / 1,4  1,80 / 1,08 0,74 / 0,57 1,5 / 1,05 
         41.42     2,85 / 1,51 2,42 / 1,20 1,90 / 1,54 2,70 / 1,10

* - в числителе для снаряженного автобуса, в знаменателе при номинальной нагрузке 5 чел./ м²

    Данный анализ показывает, что подвеска одного из наиболее плавных отечественных автобусов модели ЛиАЗ-5256 с практически непрозрачной (то есть очень мягкой в зоне статического хода) упругой характеристикой также не соответствует стандарту ISO 2631-74 и нуждается в совершенствовании.
    Кроме раздельно-частотной и интегральной оценки при анализе плавности хода АТС часто применяют метод оценки по спектральной плотности ускорений, по которым более четко определяются различные резонансы автомобиля. На рис. 1.3 представлены характерные спектральные плотности вертикальных ускорений грузовых автомобилей. Здесь также показаны некоторые допустимые спектральные плотности ускорений, рассчитанные в соответствии со стандартом ISO 2631-74 по следующей зависимости:


Sj [ ч("»=7""
А"₁/₃


(1.1)

где [оz(»)]₁/₃ — допустимое среднеквадратическое виброускорение по норме ISO, соответствующее среднегеометрическому значению 1/3 октавы


14