Національний університет “Львівська політехніка”

Керницький Іван Степанович

УДК 621-567.5:629.113.012.817

НАУКОВО-ПРИКЛАДНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ

ТА ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ

ПРУЖНИХ І ДЕМПФУВАЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

СИСТЕМ ПІДРЕСОРЮВАННЯ КОЛІСНИХ МАШИН

05.02.02 – машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант – доктор технічних наук, доцент Харченко Євген Валентинович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри деталей машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Семенюк Володимир Федорович,

Одеський державний політехнічний університет,

завідувач кафедри підйомно-транспортного

та робототехнічного обладнання,

Заслужений діяч науки і техніки України;

доктор технічних наук, професор Вольченко Олександр Іванович,

Івано-Франківський державний технічний

університет нафти і газу,

професор кафедри механіки машин,

Лауреат премії ВТВР;

доктор технічних наук, професор Александров Євген Євгенович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний університет”,

завідувач кафедри колісних і гусеничних машин,

Заслужений діяч науки і техніки України,

Лауреат Державної премії України.

Провідна установа – Технологічний університет Поділля, кафедра машинознавства

Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький.

Захист відбудеться 6 червня 2001 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (м. Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий 4 травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є. Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економічне піднесення України, як незалежної, могутньої в індуст-ріальному відношенні держави, передбачає вирішення ряду широкомасштабних проблем, однією з яких є розвиток машинобудівного комплексу в цілому і транспортного машинобудування зокрема.

Україна володіє багаторічним досвідом у продукуванні легкових, вантажних автомобілів, автобусів, автонавантажувачів, тракторів та інших колісних і гусеничних машин цивільного та військового призначення, а також значним інтелектуальним потенціалом у даній галузі. Тому задача вдосконалення існуючих транспортних засобів, технологічних машин і розробка принципово нових моделей є не лише надзвичайно актуальною, але й цілком реальною для розв’язку у стислі терміни.

Провідні машинобудівні фірми світу особливу увагу приділяють проектуванню і дослідженню систем підресорювання, які є визначальними в плані безпеки руху, збереження транспортованих вантажів, забезпечення комфортабельності водіїв та пасажирів, а також мають значний вплив на економічність транспортної машини і на величину навантажень коліс, кузова та дорожнього покриття. Названа проблема набуває ще більшого значення у зв’язку із суттєвим підвищенням швидкостей руху сучасних колісних машин.

Коливальні процеси в системах підресорювання можуть супроводжуватися резонансними явищами, що викликають надмірні амплітуди коливань, порушення контакту коліс з дорогою, втрату керованості машини, а також механічні пошкодження окремих деталей і вузлів. Запобігти виникненню негативних наслідків коливальних процесів можна шляхом установки в підвісці демпфувальних пристроїв з оптимальними для даної машини характеристиками.

Особливої актуальності поставлена задача набуває у випадку використання в системі підресорювання пневматичних пружних елементів (ППЕ) з гумовокордними оболонками (ГКО), які характеризуються дуже низькими демпфувальними властивостями, що викликає потребу установки значно потужніших гідравлічних амортизаторів, ніж в ресорних підвісках. Окрім зазначеного способу вирішення даної проблеми перспективним є використання в пневматичних підвісках повітряних демпферів, здатних суттєво зменшити навантаженість роботи гідравлічних амортизаторів, а у випадку раціонального проектування і задання оптимальних характеристик повністю замінити гідравлічні амортизатори.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами.

Робота відповідає Державним програмам “Україна-2010”, “Підвищення надійності і довговічності машин та конструкцій”, “Критичні технології: Транспорт. Технології виробництва транспортних засобів”. Під час виконання роботи проводились дослідження згідно програм госпдоговорів 4151 (1986 р.), 4518 (1989 р.) з ГСКБ по автонавантажувачах (м. Львів), номери державної реєстрації 01850008357, 01870024464, в яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета дослідження – розробка науково-прикладних основ проектування конструкцій систем первинного і вторинного підресорювання колісних машин з покращаними експлуатаційними властивостями та обгрунтування на основі всесторонніх аналітичних і експериментальних досліджень характеристик пружних та демпфувальних елементів, які дозволяють суттєво підвищити ефективність, довговічність і надійність їхньої роботи.

Основні задачі дослідження. 1. Опрацювання теоретичних засад аналізу коливальних процесів колісних машин з різними системами підресорювання.

2. Розробка методик розрахунку характеристик пневматичних пружних елементів при різних режимах навантаження у випадках відсутності та наявності повітряних демпферів.

3. Визначення впливу конструктивного виконання і типу пневматичних демпферів на ефективність функціонування коливної системи.

4. Створення науково-методологічних основ проектування пневматичних демпферів, розрахунок їхніх основних конструктивних параметрів, теоретичне та експериментальне дослідження розроблених конструкцій демпфувальних пристроїв.

5. Розробка і дослідження нових способів покращання пружних та демпфувальних властивостей підвісок і пристроїв для реалізації цих способів.

6. Обгрунтування та практична реалізація способів забезпечення підвищеної зносостійкості клапанних пар пневматичних демпферів.

7. Синтез, розрахунок і аналіз вдосконалених систем вторинного підресорювання колісних машин.

8. Розробка і дослідження пружних, демпфувальних, регулювальних та напрямних пристроїв підресорених сидінь з поліпшеними технічними характеристиками.

9. Експериментальне визначення відповідності до норм міжнародних стандартів показників ефективності віброзахисту людини-оператора при використанні спроектованих підвісок сидінь.

10. Розробка дослідної бази, обладнання та апаратурного забезпечення для експериментальних досліджень вдосконалених систем первинного і вторинного підресорювання.

Об’єкт дослідження – пружні, демпфувальні, стабілізувальні, регулювальні пристрої та напрямні механізми систем підресорювання.

Предмет дослідження – коливальні процеси у спроектованих системах первинного та вторинного підресорювання колісних машин транспортного і технологічного призначення.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження грунтувались на теоріях механічних коливань, розрахунку пневмоприводів, моделювання нелінійних пружних систем, методах диференціальних обчислень. Дослідження і аналіз існуючих систем підресорювання супроводжувались суттєвим конструктивним вдосконаленням з наступною розробкою та дослідженням принципово нових елементів і пристроїв таких систем, а також способів їхнього функціонування, експлуатаційних особливостей роботи і технологічних аспектів виготовлення окремих деталей та вузлів. Експериментальні дослідження проводились з використанням спеціально спроектованого на рівні винаходів стендового і лабораторного устаткування; для дорожніх випробувань були створені мобільні лабораторії. Обробка результатів експериментів здійснювалась із застосуванням методів математичної статистики та теорії випадкових коливань і спектрального підресорювання колісних машин. Графічна інтерпретація розрахункових і дослідних даних виконувалась з широким використанням просторових відображень багатопараметричних залежностей.

Наукова новизна одержаних результатів. 1. Розроблена методологія проведення аналізу коливальних процесів в пневматичних підвісках, оснащених клапанними демпфувальними пристроями, суть якої полягає у представленні процесу демпфування коливань машини нелінійними диференціальними рівняннями, котрі враховують вільне перетікання повітря між основною та додатковою порожнинами ППЕ на ході стиску і повне їхнє роз’єднання на протязі всього ходу відбою з відновленням динамічної енергоємності ППЕ в початковий момент наступного ходу стиску.

2. Розроблено новий принцип функціонування пневматичного демпфера, аналіз робочих процесів якого здійснено із застосуванням математичної моделі, що описує три етапи процесу демпфування: стиск ППЕ із з’єднаними основною і додатковою порожнинами, відбій ППЕ з роз’єднаними порожнинами і в подальшому – з дроселюванням повітря.

3. Розроблено і реалізовано в коливних системах та розрахункових схемах новий принцип демпфування вертикальних коливань транспортної колісної машини з пневматичною підвіскою, який відрізняється від відомих принципів наявністю додаткового конусоподібного ППЕ; при цьому аналітичний опис процесу демпфування базується на спеціально створеному алгоритмі з’єднання порожнин основного та додаткового ППЕ.

4. Опрацьовано різні варіанти покращання віброзахисних властивостей систем вторинного підресорювання колісних машин за рахунок використання спроектованих підвісок сидінь з модернізованими пружними, демпфувальними, регулювальними та напрямними пристроями.

5. На основі розробленого способу регулювання пружинної підвіски обгрунтовано можливість варіації в широкому діапазоні пружних характеристик традиційних за конструктивними ознаками підвісок з металевими пружними елементами.

6. Доведено необхідність суттєвого підвищення зносостійкості клапанних пар пневматичних демпферів. З цією метою розроблено спосіб нанесення на поверхні клапанних пар спеціальних покрить, захищених патентами.

7. Визначено основні параметри коливальних процесів систем первинного та вторинного підресорювання, оснащених вдосконаленими пружними і демпфувальними елементами, при їхній роботі в режимах вільних та вимушених коливань.

Практичне значення одержаних результатів. 1. Запропоновані методи аналізу коливальних процесів систем підресорювання з пневматичними демпфувальними пристроями дозволяють на стадії проектування визначати основні конструктивні параметри демпферів в залежності від величини реальних експлуатаційних показників колісних машин.

2. Розроблені в дисертації способи покращання демпфувальних властивостей пневматичних систем підресорювання та регулювання пружинних підвісок реалізовані в конкретних конструкціях і в подальшому можуть бути використані в процесі проектування принципово нових систем підресорювання з пневматичними та механічними пружно-демпфувальними елементами.

3. Результати досліджень підтвердили можливість суттєвого підвищення демпфувальних властивостей серійних пружних пневмоелементів та створення модернізованих ППЕ з необхідними пружно-демпфувальними характеристиками.

4. Практична цінність роботи підтверджена значною кількістю конструктивних рішень пружних, демпфувальних, стабілізувальних, регулювальних пристроїв та напрямних механізмів, виконаних на рівні винаходів і придатних для використання в системах первинного та вторинного підресорювання колісних машин загалом і малогабаритних зокрема.

5. У роботі паралельно з конструюванням пружних і демпфувальних елементів здійснена розробка сервісних пристроїв пневматичних систем підресорювання, зокрема, значна увага приділена вдосконаленню автоматичних та напівавтоматичних регуляторів положення кузова (РПК) і навантаження підвіски сидіння водія колісної машини.

6. Розроблені суміші для нанесення протизносних покрить мають практичне значення не лише для демпфувальних пристроїв, але й для деталей, вузлів і механізмів машин, ресурс роботи котрих визначається в основному показниками зносостійкості.

7. Створена методика експериментальних досліджень коливних систем практично реалізована в патентнозахищених конструкціях різнотипних стендів, установок та мобільних лабораторій, які можуть знайти застосування у дослідницьких і виробничих умовах.

8. Практичні рекомендації, технічні розробки, науково-методологічні принципи проектування і розрахунку систем підресорювання, віброізоляції та шумопоглинання, що базуються на результатах аналітичних і експериментальних досліджень, викладених у дисертаційній роботі, впроваджені у Львівських ВАТ “Укравтобуспром”, “ЛАЗ”,

“Автовантажмаш”, “Конвеєр”, “Завод “Львівсільмаш”, ДГП “Західукргеологія”, а також у ВАТ “ЛуАЗ” (м. Луцьк) та на заводі “МАСМА” (ВАТ “Галол”, м. Дрогобич).

9. Окремі конструктивні розв’язки задачі вдосконалення підвісок з використанням елементів теорії коливань систем первинного і вторинного підресорювання колісних машин з пневматичними пружними елементами та повітряними демпферами використовувались у навчальному процесі і в тематиці науково-дослідних робіт студентів та аспірантів, що знайшло відображення у спільних публікаціях та винаходах.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, які містяться в дисертації, отримані автором особисто.

Під час виконання прикладних досліджень у спільних розробках здобувач формував програми експериментальних, лабораторних і дорожніх випробувань, брав безпосередню участь у проектуванні, розробці конструкторсько-технологічної документації та виготовленні дослідних систем підресорювання і обладнання для їхнього дослідження, а також особисто проводив випробування та обробку отриманих результатів. Одночасно з розробкою технічних засобів віброзахисту машин та людей запропонував і втілив у реальних конструкціях пневматичні вібраційні пристрої, придатні для використання в наукових та виробничих цілях [18, 27].

У спільних теоретичних розробках автору належить постановка задач досліджень, аналітичне обгрунтування методології та способів їхнього розв’язку, створення математичних моделей і розрахункових схем, знаходження розв’язків рівнянь руху коливних систем та дослідження їх при гармонічних і випадкових коливаннях [1-3, 22, 23, 25]. Аналіз результатів досліджень переважно виконувався сумісно.

Значна частина результатів дисертаційної роботи опублікована одноосібно (25 праць).

У винахідницьких працях здобувач брав безпосередню участь у постановці, принциповому розв’язку задач, генеруванні ідей, конструюванні та випробуваннях; виконував розрахунки і експериментальні дослідження в процесі розробки нових способів регулювання пружинних підвісок [33], обробки металічних виробів [32] та випробування зразків [31].

Дисертантом сформульовано постановку задачі забезпечення підвищення зносостійкості пар тертя, яку було розв’язано з використанням способу нанесення на поверхні тертя спеціальних патентнозахищених покрить [35, 36], випробування та комплексні дослідження яких [19-21, 24] підтвердили їхні високі експлуатаційні властивості.

У роботах [4, 5] автор брав участь у технічному оснащенні дослідних установок, експериментальній перевірці та аналізі отриманих теоретичних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень за темою дисертаційної роботи апробовані на: Міжнародній науково-методичній конференції “Геометричне моделювання. Інженерна та комп’ютерна графіка” (Львів, 1994 р.); Другій, Третій і Шостій Міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні проблеми геометричного моделювання” (Мелітополь, 1995 р., 1996 р., 1999 р. 5 доповідей); Міжнародному науковому симпозіумі, присвяченому пам’яті Гаспара Монжа, “Нарисна геометрія. Інженерна та комп’ютерна графіка” (Львів, 1996 р., 3 доповіді); Першій Міжнародній науково-методичній і науково-дослідній конференції “Плавність руху екологічно чистих автомобілів в різних дорожніх умовах і літальних апаратів при приземленні і гальмуванні” (Москва, 1997 р.); ІV, V Міжнародних науково-технічних конференціях по двигунах внутрішнього згоряння і моторних транспортних засобах “МОТАUТО-97” (Руссе (Болгарія), 1997 р.), “МОТАUTO-98” (Софія-Вітоша (Болгарія), 1998 р. – 2 доповіді); Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми геометричного моделювання” (Харків, 1998 р.); 9-ій Міжнародній конференції по геометрії та графіці (Ранд Афрікаанс Університет Йоганнесбург, Південно-Африканська Республіка. – 28 - 31 липня 2000 р.); науково-технічних конференціях Львівського політехнічного інституту та Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, 1979 - 2000 р.р.).

У повному обсязі дисертація доповідалася в 2001 р. на розширеному засіданні кафедри деталей машин Національного університету “Львівська політехніка”, а також у ВАТ “Укравтобуспром” (м. Львів), у ВАТ “Львівський автобусний завод” (м. Львів), на кафедрі експлуатації автомобільної техніки Військового інституту при Національному університеті “Львівська політехніка” (м. Львів), на кафедрі технічної механіки Луцького державного технічного університету (м. Луцьк).

Публікації. За тематикою досліджень загалом опубліковано 106 наукових праць (в т.ч. 57 статей і тез, з яких 25 опубліковані самостійно, 49 винаходів, з яких 4 виконані самостійно) та 6 звітів з НДР.

До докторської дисертації віднесено 78 робіт (25 з яких опубліковані самостійно) та 2 звіти з НДР, в котрих автор був відповідальним виконавцем. До складу зазначених вище публікацій входять 25 статей (12 одноосібних), надрукованих у фахових журналах і збірниках наукових праць, 3 депоновані роботи (1 одноосібна), 13 матеріалів та тез конференцій і симпозіумів (9 одноосібних), 37 авторських свідоцтв і патентів на винаходи (3 одноосібні).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Основний текст налічує 360 сторінок, в тому числі 22 таблиці та 113 рисунків (усі рисунки і 10 таблиць виконані на окремих аркушах). Список літератури охоплює 354 найменування наукових праць вітчизняних і закордонних авторів. Загальний обсяг дисертації становить 415 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, визначаються основні напрямки досліджень і наводиться загальна характеристика роботи.

У першому розділі аналізуються історичні та сучасні тенденції розвитку систем підресо-рювання колісних машин, здійснюється постановка основних задач наукового дослідження.

На конкретних прикладах показано, що в транспортному машинобудуванні широкого розповсюдження набули пневматичні системи підресорювання, які характеризуються рядом суттєвих технічних, економічних, експлуатаційних переваг у порівнянні з традиційними ресорними, пружинними чи торсіонними підвісками.

Питання, пов’язані з вивченням коливальних процесів, з підресорюванням в цілому і, зокрема, з покращанням експлуатаційних властивостей підвісок та демпфувальних пристроїв різних типів, знайшли достатньо повне відображення в науково-технічній літературі. Вагомий вклад у цій галузі знань зробили такі вчені як Р.А.Акопян, В.Л.Бідерман, А.Д.Дербаремдікер, Г.Я.Пархіловський, Б.А.Потьомкін, О.К.Прутчіков, Й.Раймпель, Р.В.Ротенберг, В.П.Сахно, А.А. Сілаєв, І.Б.Скіндер, С.П.Тимошенко, К.В.Фролов, Р.І.Фурунжієв, А.А.Хачатуров, М.М.Яценко.

Значний внесок у розвиток систем пневматичного підресорювання здійснили Р.А.Акопян, Є.П.Віташевський, А.М.Горєлік, Д.Ернест, І.Косереану, М.Мітчке, Р.Піл, Я.М.Певзнер, Р. Райнер, Г.О.Равкін, Т.Сіретеану. Переважна більшість дослідників зазначає, що пневматичні пружні елементи на відміну від листових ресор характеризуються низькими демпфувальними властивостями; з огляду на це набуває актуальності та практичної значимості проблема розробки ефективних пневмодемпферів.

При проектуванні та дослідженні повітряних демпферів різних типів використовується багатий досвід Львівської, Грузинської, Московської, Сибірської наукових шкіл і окремих їхніх представників, які безпосередньо займалися вивченням питань демпфування коливань колісних машин: Г.С.Аверьянов, В.П.Бородін, В.А.Верещака, К.І.Гвінерія, Г.Д.Гогелідзе, Г.Д.Джохадзе, В.В.Костилєв, Г.К.Кочанов, О.С.Кочєтов, А.Є.Плющев, В.А.Поляков, Ю.Г.Сафронов, І.Ф.Сікач, Є.Д.Сімутін, А.В.Сіньов, Г.А.Смірнов, Я.Л.Фандєєв, І.Б.Філіпов, Б.Н.Фітільов, Т.В.Хухуні та ін.

В дисертаційній роботі проаналізовані найважливіші теоретичні та прикладні праці названих авторів, наведена їхня оцінка ефективності пневматичного демпфування.

Детальне вивчення значної кількості конструкцій дозволило авторові здійснити класифікацію пневматичних демпферів, в основу якої закладено наступні ознаки: принцип роботи, тип характеристики, напрямок дії, частота демпфованих коливань.

В дисертації розглянуті перспективні напрямки вдосконалення пружних, демпфувальних, стабілізувальних, регулювальних і напрямних пристроїв систем підресорювання; наведені схеми та описи принципів роботи 12 оригінальних конструкцій пневматичних демпферів, стабілізаторів і підвісок, а також складено список наукових публікацій, в яких висвітлені результати досліджень створеного конструктивного ряду.

У другому розділі на основі аналізу конструктивних особливостей пневматичних демпфувальних пристроїв та принципів їхньої роботи здійснено теоретичний аналіз процесу пневматичного демпфування коливань, який дозволив виявити потенційні можливості модернізації існуючих демпфувальних пристроїв і розробки принципово нових демпферів, а також сприяв пошуку технічних рішень у напрямку покращання стабілізувальних властивостей пневматичних систем підресорювання.

Окремі варіанти конструктивних розв’язків задачі поліпшення пружних, демпфувальних, стабілізувальних, регулювальних властивостей пневматичних підвісок схематично зображені на рис. 1.

Демпфер дросельно-клапанного типу (рис. 1, а) на ході стиску ППЕ з’єднує порожнини А, В за рахунок відкриття еластичного клапана 1. На початку ходу відбою ППЕ клапан 1 закривається, в певний момент цього ходу при перевищенні зусилля на діафрагму 2 зі сторони порожнин В, С над зусиллям зі сторони порожнини D діафрагма 2 прогинається, пластинчатий клапан 3 відкривається і повітря через кульковий клапан 4 дроселює в порожнини D, A; при цьому на значній частині ходу відбою енергія стиснутого в порожнині В повітря виключається з роботи ходу відбою підвіски, що спричинює зменшення амплітуди коливань. В початковий момент наступного ходу стиску клапан 1 відкривається, тиски газу в порожнинах А, В вирівнюються, динамічна енергоємність ППЕ відновлюється і робочий цикл демпфера повторюється.

Пневматичний демпфувальний пристрій (рис. 1, б) з’єднує порожнини А, В на ході стиску ППЕ і роз’єднує їх на ході відбою ППЕ лише до моменту проходження підресореною масою положення статичної рівноваги, що досягається використанням еластичної ланки 1 певної довжини, з’єднаної з кулькою 2, яка послідовно взаємодіє з клапанами 3, 4 (а.с. 1384856).

При проектуванні демпферів клапанного та дросельно-клапанного типів значну увагу приділено розрахунку їхніх основних конструктивних параметрів; з цією метою аналітичним шляхом визначені площі перепускних вікон між порожнинами А, В та оптимальні геометричні співвідношення діафрагменного привода. Розрахункові значення перевірені експериментально.

Кузов колісної машини в процесі переміщення здійснює складний просторовий рух, складовими якого є вертикальні, поздовжні, поперечні та крутильні коливання. Зменшення кутів поздовжнього і поперечного нахилу кузова – важлива технічна задача, що визначає стабілізацію машини. Покращання стабілізувальних властивостей пневматичних підвісок в двох площинах можливе за рахунок використання спеціального пристрою (рис. 1, в), який включає клапан-гільзу 1, встановлений в корпусі 2 з вікнами 3 і з’єднаний через шток 4 з підпружиненим маятником 5, вісь котрого розташована під кутом 450 до поздовжньої осі колісної машини. Для демпфування вертикальних коливань кузова у цій конструкції передбачено дросельно-клапанний демпфер 6, 7 (а.с. 1308788).

Пневматичний стабілізатор (рис. 1, г) містить сферичний клапан 1 з вікнами 2 і меридіанними пазами 3, який встановлений у корпусі 4 з вікнами 5 і штоками 6. Клапан 1 з’єднаний з маятниковим приводом 7 (а.с. 1357620).

Опрацьовані окремі варіанти поліпшення стабілізації кузова за рахунок максимально можливого збільшення ресорної колії та установки пневматичних пружних елементів з додатковими ГКО.

Підвищити поперечну кутову жорсткість пневматичної підвіски дозволяють також сконструйовані автоматичні регулятори положення кузова.

Аналіз різноманітних пневматичних систем підресорювання та їхніх робочих процесів показав, що в деяких випадках виникає необхідність установки спеціальних пневматичних пружних елементів, наприклад, таких, які мають відносно невелику відновлювальну силу в положенні статичної рівноваги і забезпечують інтенсивне наростання відновлювальної сили при визначених деформаціях підвіски. Для розв’язку поставленої задачі був спроектований конусоподібний ППЕ (рис. 1, д), основу якого складають поршень 1 і ГКО 2 з буфером стиску 3. Верхній торець оболонки 2 посередництвом центрального болта 5 зафіксований між фланцем 4 і опорною плитою 7. Для підводу стиснутого повітря до ППЕ призначений штуцер 6. Спроектований ППЕ знайшов практичне застосування в пристроях, що реалізували новий спосіб демпфування коливань.

Суттєво покращити демпфувальні властивості пневматичних систем підресорювання дозволяє розроблений спосіб демпфування вертикальних коливань, схематично зображений на рис. 1, е. Підвіска, що працює за цим способом, передбачає установку між підресореною М і непідресореною m масами основного ППЕ 1 та додаткового ППЕ 2, які за рахунок тяги 3 працюють у протифазі, а їх порожнини з’єднуються між собою через клапанний пристрій 4, 5, 6, 7 лише короткочасно в моменти кожної зміни напрямку руху підресореної маси М. Зменшення впливу додаткового ППЕ 2 на несучу здатність підвіски досягнуто шляхом виконання гумовокордної оболонки і поршня конусоподібної форми (а.с. 1288398).

Рух системи підресорювання (див. рис. 1, е) з використанням рівняння Лагранжа другого роду може бути описаний наступними нелінійними диференціальними рівняннями:

, (1)

, (2)

де М , m – підресорена і непідресорена маси; сс , kc , сш , kш – жорсткості та коефіцієнти опору відповідно системи підресорювання і пневматичної шини; z , , q(t) – координати переміщень.

З метою поглибленого вивчення демпфувальних властивостей власне пневматичної підвіски без впливу на неї шин доцільно розв’язати і проаналізувати рівняння руху системи на ході стиску

та на ході відбою

де рст , рср , рa – тиски повітря відповідно статичний (z = 0), середній і атмосферний; VA , VB , VC , VD – об’єми порожнин A, B, C, D (індекси і, ст, min, max означають: поточний, статичний, мінімальний, максимальний); SOi , SДi – ефективні площі основного та додаткового ППЕ; n – показник політропи; f(pст)і – коефіцієнти, що описуються поліноміальними функціями і визначаються в залежності від початкового навантаження підвіски; a, b, c, d, k, l, r, s – константи; [+] , [–] – символи стиску і розтягу.

З розв’язку нелінійних диференціальних рівнянь (3), (4), здійсненого методом чисельного інтегрування, були отримані величини переміщень, швидкостей і прискорень підресореної маси, які дозволили достатньо повно оцінити демпфувальні властивості розробленої системи пневматичного підресорювання при різних режимах навантаження та змінних конструктивних і експлуатаційних параметрах. Встановлено, що така пневматична підвіска здатна забезпечити інтенсивне демпфування коливань з коефіцієнтом аперіодичності р = 0,303–0,349 (при статичному навантаженні підвіски Рс.ст = 7,65 кН); р = 0,354–0,400 (при Рс.ст = 15,36 кН); р = 0,372–0,408 (при Рс.ст = 17,58 кН); р = 0,380–0,446 (при Рс.ст = 25,75 кН). Тут проявилась дуже важлива властивість такої системи підресорювання – при збільшенні її навантаження інтенсивність затухання коливань зростає.

В подальшому був проведений силовий, та частотний аналізи системи підресорювання. Розрахунки показали, що дана підвіска у порівнянні з ППЕ без демпферів підвищує власні частоти коливань підресореної маси в середньому на 16,8% при об’ємі поршня VB = 2,810–3 м3, на 14,6% при VB = 3,610–3 м3, на 19,4% при VB = 4,410–3 м3, реалізуючи для ППЕ з поршнями об’ємом VB = (2,8…4,4)10–3 м3 при різних навантаженнях наступні частотні діапазони: 1,668...1,544 Гц (при статичному навантаженні основного пружного пневмоелемента Ро = 8,44 кН); 1,480...1,360 Гц (при Ро = 16,87 кН); 1,376...1,244 Гц (при Ро = 28,15 кН), які цілком сприйнятливі з умови забезпечення необхідної плавності руху колісної машини.

Третій розділ присвячено розробці конструкцій та обгрунтуванню характеристик вдосконалених систем вторинного підресорювання колісних машин. Основну увагу зосереджено на проектуванні та дослідженні підресорених сидінь. Показано доцільність використання в системах пневмопідресорювання ППЕ з тороподібними ГКО, схема (а), статичні (б) і динамічні (в) характеристики одного з яких показані на рис. 2. Пневматичний пружний елемент складається з пустотілого пуансона 1, гумовокордної оболонки 2, U-подібної обойми 3. Необхідні для розрахунку пружних характеристик ППЕ параметри об’єму порожнини здеформованої ГКО V та відновлювальної сили ППЕ P розраховувались за наступними формулами:

, (5)

, (6)

де h, r, d, H, R, DT – геометричні параметри (див. рис. 2); ро – статичний тиск повітря в порожнині гумовокордної оболонки;

Значно спростити конструкцію підвіски можна при заміні тороподібного пуансона 1 плоским пуансоном і використанні гумовокордної оболонки 2 кругового перерізу (з твірною у вигляді кола діаметром D замість овального контура з параметрами H, R) без її фіксації в обоймі 3. У цьому випадку об’єм V та відновлювальна сила Р визначатимуться за формулами:

. (8)

Досліджені також численні пневмопідресорені сидіння з серійними та розробленими ППЕ різних типів. Встановлено, що найбільш перспективною є пневматична підвіска, у якій пружний і демпфувальний елементи суміщені в єдиний вузол 1 (рис. 3, а), конструктивно виконаний у вигляді тонкостінної рукавної ГКО, герметично закріпленої на корпусі та кришці телескопічного гідравлічного амортизатора або пневматичного демпфера. Особливістю даної підвіски є конструкція напрямного пристрою, який складається з трьох важелів 2, 3, 4, що утворюють спарений паралелограм; при цьому на консолі важеля 4 встановлений кульовий шарнір з різьбовим отвором, через який проходить гвинт 5, призначений для регулювання статичної висоти сидіння. Таке конструктивне рішення забезпечує зручність при регулюванні висоти сидіння в залежності від антропологічних даних водія і дозволяє звести до мінімуму горизонтальні переміщення сидіння як в процесі коливань, так і при регулюванні. Наочно довести це можна за допомогою схем, показаних на рис. 3, а, б, де для порівняння зображена розроблена автором конструкція і відома з патентної літератури (а.с. 308892).

Дослідження кінематики руху сидінь здійснювалось засобами комп’ютерної графіки. Аналіз геометричних параметрів підтвердив, що в процесі регулювання висоти статичного положення подушки спроектованого сидіння над підлогою кабіни на величину а=b вниз-вгору горизонтальне зміщення каркаса сидіння разом з подушкою становить дуже незначні величини А і В. При вертикальному регулюванні прототипу вниз (а=а) і вгору (b=b) горизонтальне зміщення становило АА і ВВ із співвідношенням А/А=6,88 і В/В=6,38, що підтвердило раціональність конструкції напрямного пристрою розробленого сидіння.

Важливо зазначити, що при надмірних горизонтальних переміщеннях сидіння в процесі його вертикальних коливань можливе порушення надійного контакту ніг водія з педалями і різке зниження безпеки керування колісною машиною. Крім того, з рис. 3, б видно, що в сидінні-прототипі при збільшенні його статичної висоти відбувається поворот пружного елемента на кут , а при зменшенні – на кут ; таке явище, очевидно, спричинює зміну жорсткості підвіски і втрату дуже важливої її властивості – ізохронності. Як показало геометричне моделювання, напрямний пристрій розробленої підвіски (див. рис. 3, а) забезпечує виключно плоско-паралельне переміщення пружного елемента без його кутових зміщень, чим досягається ізохронність коливань сидіння. Для даної конструкції крім кінематичних досліджень були побудовані статичні та динамічні пружні характеристики, а також розроблений ряд напівавтоматичних пристроїв регулювання початкового тиску повітря в пружному пневмоелементі з метою забезпечення ізохронності коливань при навантаженні сидіння водіями різної маси. Одночасно здійснено проектування пневматичних демпферів різних типів, призначених для роботи в підресорених сидіннях.

З урахуванням широкого використання малогабаритних колісних машин проведена розробка підресорених сидінь спеціального призначення, що характеризуються максимальною компактністю конструкції, покращаними експлуатаційними властивостями і мають широкий діапазон регулювання пружних та геометричних характеристик.

Варіювання характеристик витих пружин можливе також при використанні розробленого способу регулювання та пристрою для його реалізації. Підвіска (рис. 3, в, г), що працює за даним способом, містить важелі 1, 2, пружину 3, регулятор 4, вилку 5, закріплену до профільованого важеля 6, на який опирається додатковий важіль 7, жорстко з’єднаний з важелем 1. Статичне положення сидіння контролюється за вказівниками 8. На кінцевих ділянках регулятора 4 виконані гвинтові поверхні 10, 11, з’єднані відповідно з консольною ділянкою важеля 1 і з пружиною 3. До важеля 2 і до опори 9 шарнірно закріплений демпфер 12.

В статичному положенні підвіски вказівники 8 суміщені, пружина 3 має певну кількість робочих витків, які забезпечують відповідну жорсткість і власну частоту коливань системи підресорювання. При збільшенні навантаження на підвіску прогин пружини 3 збільшується. Щоб привести жорсткість підвіски у відповідність до навантаження регулятор 4 слід викрутити з важеля 1 і вкрутити в пружину 3 до суміщення вказівників 8, яке досягається завдяки різниці кроків гвинтової поверхні 11 і витків пружини 3 в стиснутому положенні. Таким чином зберігається незмінною статична висота підвіски, що забезпечує ізохронність коливань амортизованих об’єктів різної маси. Крім того, в даній підвісці досягається нелінійність пружної характеристики за рахунок профілювання важеля 6.

Загалом у третьому розділі дисертації розглянуто 25 конструктивних рішень, новизна і пріоритет 18 з яких захищені охоронними документами.

У четвертому розділі проведено аналітичне дослідження коливальних процесів систем пневмопідресорювання з вмонтованими демпферами.

На першому етапі роботи здійснено розрахунки пневмопідвіски, обладнаної рукавним ППЕ моделі Н-48 320-200, для якого були отримані статичні характеристики і побудовані динамічні характеристики, показані на рис. 4, де в горизонтальній площині зображені залежності надлишкового тиску повітря рн в порожнині ППЕ від деформації z та статичного тиску рон , у вертикальній – залежності відновлювальної сили Рі д від деформації z і статичного навантаження Ро , а у просторі – комплексна багатопараметрична залежність Рі д = f (z , pн , Ро). Такий спосіб відображення дозволив суттєво підвищити інформативність графічних побудов і отримати безперервну поверхню, яка описує не лише певні фіксовані характеристики, а й усі можливі проміжні навантажені стани пневматичної підвіски.

Для проведення теоретичних досліджень були розглянуті та проаналізовані різні схеми підресорювання і коливні системи колісних машин; складені рівняння руху для дослідження їхніх коливальних процесів у випадку обладнання пневматичної підвіски повітряними демпферами клапанного та дросельно-клапанного з затримкою початку дроселювання типів. Робочий процес дросельно-клапанного демпфера умовно розподілявся на три стадії, які описувались наступними системами рівнянь:–стиск підвіски

(9)

–

(10)

–

де рAо , pо – тиски повітря в порожнинах А, С (див. рис.1, а) при деформації z = 0; рAі , pmax – тиски повітря в порожнинах А, В; FB , FC , FD – площі діафрагми зі сторони порожнин В, С, D; z, – переміщення підресореної та непідресореної мас; VA , VB , VC , VD – об’єми порожнин А, В, С, D (індекси о, і відповідають статичному і здеформованому стану пневматичного пружного елемента); Sі д , VА і – ефективна площа та об’єм пневмоелемента (індекси ст, від означають стиск і відбій підвіски); a, b, c, k, l, m, u – константи.

Функціонування пневматичного пружного елемента з клапанним демпфером описується аналогічними рівняннями з врахуванням умови з’єднання порожнин А, В на ході стиску і повного їхнього роз’єднання (без дроселювання повітря) на ході відбою підвіски.

Побудовані математичні моделі динамічних процесів, що протікають в пневматичній системі підресорювання, обладнаній демпфувальним пристроєм, дозволили визначити основні показники та характеристики такої системи при різних статичних навантаженнях, початкових деформаціях підвіски і об’ємах додаткової порожнини ППЕ. В якості критеріальної оцінки ефективності гасіння коливань прийнято коефіцієнт аперіодичності, характер зміни якого показав, що пневматичні демпфери автоматично регулюють інтенсивність затухання в залежності від амплітуди коливань, об’єму додаткової порожнини ППЕ і його статичного навантаження. Останні два параметри мають найбільший вплив на демпфувальні властивості підвіски.

На другому етапі досліджень системи підресорювання колісних машин за складністю були розподілені на 4 групи (від найпростіших, що включають лише пневматичні шини коліс (в позначеннях – індекс ш) або гумові бандажі катків і в окремих випадках еластичну подушку сидіння, до систем підвищеної складності, котрі містять шини, пружну підвіску кузова (індекс п), автономну підвіску кабіни (індекс к) та підресорене сидіння (індекс с)), для яких побудовані коливні моделі та розрахункові схеми (рис. 5, а - м). У подальшому з використанням описаної вище методики здійснено теоретичний аналіз пневматичних систем вторинного підресорювання колісних машин. З цією метою визначались статичні та динамічні характеристики розробленого рукавного ППЕ, суміщеного в єдиний вузол з демпфувальним пристроєм (див. рис. 3, а) і оснащеного поршнями з об’ємами порожнин VД = 0 (рис. 6, а) та VД = 10–3 м3 (рис. 6, б), для різних початкових тисків повітря рн , навантажень Р0 та деформацій z. Проаналізовано також вплив еластичної подушки на парціальні частоти коливань сидіння з водіями різної маси, в результаті чого виявлено, що подушка зменшує нижчу власну частоту коливань в середньому на 3,1%. Встановлено, що пневматична підвіска реалізує умову ізохронності і має власні частоти (нижчу в межах 0,617…0,688 Гц та вищу – 9,405…9,505 Гц), значно зміщені за величиною від частотного діапазону 4…8 Гц, в якому передбачені мінімальні нормативні значення параметрів вібронавантаження людини.

Найбільш повну інформацію про якість системи підресорювання може дати аналіз випадко-вих коливань, котрі мають місце при русі колісних машин по реальних дорогах. Для аналітичного дослідження доцільно застосовувати теорію спектрального аналізу коливань, яка дозволяє стохастичний полігармонічний коливальний процес розкласти на окремі гармоніки, розрахувати для них параметри коливань і звести їх в одну комплексну (спектральну) характеристику.

В роботі наведені результати спектрального аналізу вібраційних процесів автонавантажувачів малої та середньої вантажопідйомності з різними сидіннями водіїв. Дослідження показали, що серійне непідресорене сидіння автонавантажувача малої вантажопідйомності працює в резонансному режимі і спричинює підвищення рівня вібронавантаженості водія, а підресорені сидіння різних моделей автонавантажувача середньої вантажопідйомності в недостатній мірі зменшують рівень вібронавантаженості у порівнянні з вібронавантаженнями на підлозі кабіни. Отримані спектральні характеристики підтвердили необхідність модернізації конструкцій сидінь і були прийняті в якості теоретичного обгрунтування основних напрямків вдосконалення їхніх підвісок.

П’ятий розділ присвячено модернізації та розробці обладнання для експериментального дослідження систем підресорювання колісних машин. Для комплексних випробувань підвіски в зборі був модернізований стенд з біговими барабанами і приводним двигуном внутрішнього згоряння потужністю 110 кВт, який моделював передню частину великої колісної машини і дозволяв відтворювати вільні та гармонічні коливання підресорених і непідресорених мас при різних навантаженнях та принципових схемах підвісок. Дослідження підвіски з ППЕ, гідравлічним амортизатором і пневматичною шиною здійснювались на стенді, загальний вигляд котрого зображений на рис. 7, а, б, а положення стенда перед скидуванням показане на рис. 7, в. Стенд дозволяв досліджувати сукупно або окремо ППЕ 1 з пневматичним демпфером або без нього, регулятор положення кузова 2, гідравлічний амортизатор 3, пневматичну шину 4 в режимах вільних та вимушених гармонічних коливань при змінних навантаженнях, амплітудах переміщень і частотах коливань. Названі стенди призначались для випробувань ППЕ великої вантажопідйомності і характеризувались значними габаритами та масами.

Дослідницькі роботи з системами вторинного підресорювання і, зокрема, з підресореними сидіннями доцільно проводити із застосуванням компактних установок з електро- та пневмовібраторами, реалізація яких може бути здійснена на основі винаходів, захищених а.с. 1555218, 1682251, 1729950, 1780859. АЧХ сидінь визначались на розробленому дисертантом стенді з приводом від двигуна внутрішнього згоряння.

Дослідження робочих процесів пневматичної підвіски, оснащеної різними демпфувальними пристроями, здійснювались із застосуванням експериментального ППЕ. Висока точність вимірювань переміщень забезпечувалась завдяки розробленим автором прецизійним датчикам. Для просторового моделювання ППЕ запропоновано використовувати виконаний на рівні винаходу (а.с. 1730656) демонстраційний пристрій.

Дорожні випробування систем підресорювання проводились на мобільних лабораторіях, оснащених комплексами вимірювально-реєструвальної апаратури. Модернізовані апаратурні комплекси встановлювались також на автобусах-лабораторіях, призначених для експериментальних досліджень коливань ходової частини пневмопідресореної машини з колісною формулою 4 2.

Проведені дослідження підтвердили ефективність використання розробленого обладнання та апаратурного забезпечення, за допомогою якого отримані якісні багатопараметричні осцилограмні записи коливальних процесів серійних та спроектованих систем підресорювання в умовах лабораторних і дорожніх випробувань високих ступенів складності.

У шостому розділі проаналізовано результати експериментальних досліджень вдосконалених систем підресорювання колісних машин. В першій частині розділу описані результати випробувань систем первинного підресорювання без демпферів і з демпфувальними пристроями різних типів. Експериментально встановлено, що ППЕ характеризуються дуже низькими демпфувальними властивостями, на які мають суттєвий вплив напрямні пристрої та пневматичні шини коліс, установка котрих в пневматичну підвіску дозволяє (в залежності від кількості напрямних важелів, типу їхніх шарнірних вузлів та початкової деформації пружних елементів) забезпечити