Исследование динамики подвески автомобиля

Федеральное агентство по образованию

Физико-технический факультет

Кафедра машиноведения

 

 

 

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК

Зав. кафедрой, канд. пед. наук, доц.

______________________________

«____»________________2009 года.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Исследование динамики подвески автомобиля

 

Дипломная работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. УПРАВЛЯЕМОСТЬ И УСТОЙЧИВОЧТЬ АВТОМОБИЛЯ

1. 1.  Управляемость автомобиля. Показатели  управляемости.

1.2. Плавность хода автомобиля

1.3. Собственные и вынужденные колебания

ГЛАВА 2. ПОДВЕСКА

2.1. Виды колебаний

2.2. Основные типы подвесок

2.3. Характеристика амортизатора

ГЛАВА 3. СТАБИЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС. РАЗВАЛ И СХОЖДЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ  КОЛЕС

3.1. Стабилизация управляемых колес

3.2. Развал и схождение управляемых  колес

ГЛАВА 4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Оценка надежности изделий по  результатам эксплуатации

4. 2. Расчет винтовой  пружины

ГЛАВА 5.  БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ГЛАВА 6.  ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

Основными устройствами, защищающими автомобиль от динамических воздействий дороги и сводящими колебания и вибрации к приемлемому уровню, являются подвеска и шины.

Многолетний опыт показывает, что неровности дороги и вызываемые ими колебания кузова и колес  автомобиля ведут, как правило, к ухудшению всех его эксплуатационно-технических качеств и к тем большему, чем хуже качество дороги.

Можно считать, что на дорогах с неровной поверхностью снижается производительность автомобиля вследствие уменьшения скоростей движения и увеличения простоев, возрастают расходы на техническое обслуживание и ремонты. Кроме этих прямых потерь есть и косвенные, вызванные, в частности, слабым использованием сети дорог с неровной поверхностью. Прямые и косвенные потери от эксплуатации различных автомобилей и автопоездов на дорогах с неровной поверхностью исчисляются значительными денежными суммами.

Есть два пути уменьшения этих потерь — строительство дорог  с усовершенствованным покрытием  и улучшение качества подвески. Оба  направления дополняют друг друга, так как строительство дорог — процесс длительный и дорогостоящий. Кроме того, всегда требуется некоторое количество автомобилей повышенной и высокой проходимости, которым необходима совершенная подвеска.

Подвеской автомобиля называют совокупность устройств, связывающих колеса с рамой (кузовом) и предназначенных для уменьшения динамических нагрузок, передающихся автомобилю вследствие неровной поверхности дороги, а также обеспечивающих передачу всех видов сил и моментов, действующих между колесом и рамой (кузовом).

Разнообразные силы взаимодействия колеса и дороги можно свести к  трем составляющим: вертикальной Z, продольной Х, поперечной или боковой У. Передача этих сил и их моментов состоит из трех устройств: упругого, демпфирующего и направляющего.

Упругим устройством  на подрессоренную массу передаются вертикальные силы, действующие со стороны дороги, уменьшаются динамические нагрузки и улучшается плавность хода.

Направляющее устройство — механизм, воспринимающий действующие на колесо продольные и боковые силы и их моменты. Кинематика направляющего устройства определяет характер перемещения колеса относительно несущей системы.

Демпфирующее устройство — предназначено для гашения  колебаний кузова и колес путем  преобразования энергии колебаний в тепловую и рассеивание ее в окружающую среду.

Кроме того задачи повышения  плавности хода на автомобильном  транспорте становятся актуальней потому как это связано не только с  требованиями повышения ресурса динамически нагруженных узлов автомобиля, но и с причиной перемещения центра вопроса в область обеспечения высокой безопасности движения, комфортабельности водителя и пассажиров и защиты их от воздействия высокочастотных колебаний. Особенно это важно для легковых автомобилей, которые, как правило, эксплуатируются при более высоких скоростях, чем грузовые и значительно легче последних, а потому более полно воспринимают неровности дороги. Однако большая номенклатура существующих конструкций подвесок говорит об отсутствии, какой либо универсальной. Более того, зачастую, казалось бы, подходящая конструкция для конкретного типа автомобиля требует доработки, и переработки ввиду различного рода эксплуатационных факторов, морального старения, с учетом возможности дальнейшей модернизации, с целью повышения ресурса и уменьшения нагрузок на её детали и узлы. Последнее время распространение получают подвески с увеличенными ходами. Это способствует высокой плавности хода. Наиболее известной является подвеска на несущих пружинных стойках (типа «Макферсон»). При относительной простоте она позволяет приобрести массу положительных эффектов.

Цель данной работы состоит в том, чтобы наиболее полно и комплексно исследовать динамики подвески автомобиля.

Достижению поставленной цели способствовало решение следующих  основных задач:

а) исследование управляемости и устойчивости автомобиля;

б) исследование видов  колебаний подвески, рассмотрение основных типов подвесок, а также характеристики амортизатора;

в) исследование стабилизации управляемых колес, развал и схождение управляемых колес;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. УПРАВЛЯЕМОСТЬ И УСТОЙЧИВОЧТЬ АВТОМОБИЛЯ

1. 1.  Управляемость автомобиля. Показатели управляемости.

Управляемость автомобиля - свойство автомобиля, характеризующее его способность подчиняться управлению по сохранению или изменению величины и направления скорости движения и ориентации его продольной оси.

Устойчивость  автомобиля – свойство автомобиля сохранять в заданных пределах, независимо от скорости движения и действия внешних и инерционных сил, направление движения и ориентацию продольной и вертикальной осей при отсутствии управляющих воздействий со стороны водителя.

Принципиальное  различие между понятиями управляемость  и устойчивость заключаются в  том, что управляемость охватывает ряд свойств автомобиля, обеспечивающих его движение по заданной траектории при воздействии водителя на органы управления, а устойчивость - при отсутствии управляющих воздействий водителя.

В то же время  управляемость и устойчивость автомобиля тесно взаимосвязаны между собой, т.к. они определяются в основном одними и теми же конструктивными  параметрами, компоновкой автомобиля, особенностями рулевого управления, характеристиками шин, параметрами подвесок и т.д.

Кроме того, и  управляемость и устойчивость автомобиля в значительной мере зависят от изменяющихся дорожных условий и индивидуальных особенностей водителя, как управляющего звена системы регулирования, т.е. системы: дорога - автомобиль - водитель.

Лучшей управляемостью обладает тот автомобиль,  который  выполняет сигналы управления с заданной точностью при минимальных затратах нервной и физической энергии водителя.

Сигналами управления для автомобиля являются: поворот  рулевого колеса, увеличение усилия на педали тормоза, включение сцепления, переключение передач в КП и т.д.

Кроме того, входным  сигналом для автомобиля является любое  внешнее воздействие: порыв ветра, изменения  продольного  и поперечного профиля дороги и т.д.

Сигналы управления, также как и действие на  автомобиль случайных сил, являются источниками возмущений.

Вследствие  возмущений  происходит  изменение  параметров движения, т.к. наблюдается переходный процесс.

Переходный  процесс - это процесс изменения параметров движения при переходе от одного установившегося режима движения к другому.

Переходные  процессы занимают большую часть времени движения и оказывают значительное влияние на управляемость и устойчивость автомобиля.

Рассмотрим  более подробно сущность  переходного  процесса возникающего при повороте автомобиля (рис. 1).

Предположим, водитель, как  управляющее  звено,  начинает поворачивать рулевое колесо, чтобы повернуть управляемые колеса и тем самым изменить направление движения автомобиля. Для того, чтобы совершить поворот с заданной кривизной, водитель должен повернуть рулевое колесо, на определенный угол ( рис.1 ).

Графики переходных процессов

Рис. 1

а) зависимость  угла поворота рулевого колеса от времени;

б) зависимость  угловой скорости автомобиля от времени

    1 –  с асимптотическим приближением;

    2 –  с небольшим перерегулированием;

    3 – с большим перерегулированием.

Однако, точно  требуемая кривизна траектории может  не быть достигнута, хотя бы потому, что  он не знает, на сколько градусов следует  повернуть рулевое колесо. Он постепенно, практически после ряда колебательных движений устанавливает этот угол, наблюдая за дорогой и корректируя свои действия.

При этом характеристика «выхода» на установившийся поворот ( ) может быть различной. (Кривые 1-3 изменения в процессе поворота.)

Соответственно различным  может быть и заброс (или перерегулирование), т.е. отклонение параметра  и от его установившегося значения. Через какое - то время, характеризующее запаздывание  реакции  автомобиля,  начинают  повертываться управляемые колеса, а потом еще по другому закону -  сам автомобиль, его продольная ось со скоростью .

Этот закон относительно  близок  к  закону,  задаваемому  управляющим воздействием водителя - поворотом рулевого колеса, но точно не повторяет его. Это объясняется наличием сил инерции, возникших при повороте и изменяющихся в процессе поворота, сопротивления движению, нормальных продольных и боковых реакций, характеристиками шин, уводом или изменяющимся соотношением углов, бокового увода колес переднего и заднего мостов, а  также характеристиками самого рулевого управления.

Характер переходного  процесса имеет важное значение для  оценки поведения автомобиля, как  управляемого объекта, поскольку этот процесс является практически неуправляемым.

Поворачивая рулевое колесо на определенный угол, водитель не обеспечивает еще движение машины по заданной траектории. Он стремиться к тому, чтобы машина двигалась по этой траектории с наибольшей точностью. Отклонения от траектории объясняется двумя причинами. Во - первых, водитель не видит центра масс и о совпадении действительной траектории с заданной должен судить по каким - то косвенным признакам, непрерывно корректируя траекторию движения в соответствии с происходящими отклонениями. Во - вторых, в процессе движения возникают различные возмущения, стремящиеся изменить траекторию движения.

Одной из важнейших характеристик  управляемости машины, а именно свойства машины реагировать на управляющее воздействие водителя, является чувствительность машины к повороту.

Чувствительность  машины к повороту - это зависимость кривизны траектории движения машины от угла поворота рулевого колеса

                                                                                                (1)

где к - кривизна траектории движения машины,

- угол поворота рулевого колеса.

Чем больше изменяется кривизна траектории при определенном повороте рулевого колеса, тем больше чувствительность машины к повороту и величина реакции машины на управляющее воздействие водителя между началом поворота рулевого колеса и началом реакции машины на его поворот проходит некоторое время, называемое запаздыванием реакции машины. Оно связано с «выбором» зазоров и перемещением деталей рулевого управления, вследствие их податливости. Кроме того, происходит какое - то время прежде, чем реакция  на поворот рулевого колеса достигнет своего установившегося значения. Все это время называется временем реакции машины. После этого возникнут боковые реакции, которые будут зависеть в частности от радиуса поворота и скорости движения машины.

На чувствительность машины к повороту оказывает  влияние  сопротивление шин боковому уводу, расположение центра масс, база машины, число и расположение оси на базе, формула рулевого управления, расположение ведущих колес и т.д.  Определяющим фактором, влияющим на чувствительность машины к повороту, является соотношение углов бокового  увода  колес передней и задней оси, т.е. поворачиваемость машины.

Для обеспечения  безопасности движения, необходимо, чтобы  при движении с большими скоростями, чувствительность машины к повороту была небольшой. В этом случае при  неосторожном повороте рулевого колеса исключается поворот машины с большой кривизной (малым радиусом). При маневрировании, совершаемом при малых скоростях, чувствительность машины к повороту должна быть наибольшей, т.е. должны  обеспечиваться  достаточно  большие  углы  поворота управляемых колес при малых углах поворота рулевого колеса.

Для  обеспечения  этого  принципа  наиболее  желательной  характеристикой чувствительности является зависимость кривизны траектории к от угла поворота рулевого колеса, представленная на рис.2.

Рис.2

Одним из способов изменения чувствительности  машины  к повороту рулевого колеса является создание рулевых управлений с переменным угловым передаточным числом.

Для оценки управляемости  предложено много показателей. На автополигоне НАМИ действует  методика  испытаний  и  оценки устойчивости управления, характеризуемой  свойством  системы «водитель - автомобиль» выполнять с оговоренной заранее точностью на заданном отрезке пути задаваемый закон движения (зависимости изменения скорости, траектории, курсового угла и угла крена в функции пути).

РД 37.001.00 - 82  устанавливает  оценочные  показатели устойчивости  управления  автотранспортных  средств,  методы определения значений показателей устойчивости управления и методы оценки результатов испытаний.

Оценочными  показателями устойчивости управления является:

- устойчивость  управления траекторией, балл;

- устойчивость  курсового управления, балл;

- устойчивость  управления траекторией при торможении, балл;

- устойчивость  курсового управления при торможении, балл;

- предельная  скорость выполнения маневра V , км/час;

- скорость  начала  снижения  устойчивости  управления  траекторией V, км/час;

- скорость  начала  снижения  устойчивости  курсового  управления, V_тр, км/час.

Оценку устойчивости управления дают в баллах по субъективным ощущениям испытателя (органолептическим методом) по специальной шкале.

Показатели  с 1 по 4 определяют в эксплуатационных штатных режимах движения со скоростями V_max на специальных дорогах.

При оценке показателей 3 и 4 торможение происходит от V_o до V= 0,5V_o с замедлением j_t = 0,5 g.

Показатели 5 - 7 определяют при испытаниях на критических (нештатных) режимах движения, которые  заключаются в выполнении заданных разметкой маневров «Переставка», «Поворот», торможение на повороте .

Кроме того, имеется  целый ряд показателей и характеристик, из которого для оценки управляемости могут быть выделены следующие:

- характеристика  статической траектории управляемости;

- характеристика  « рывок руля»;

- характеристика выхода  из поворота;

- характеристика легкости  рулевого управления;

- предельная скорость  входа в заданных поворот;

- предельная скорость  входа в заданную « переставку»;

- средняя угловая скорость  поворота рулевого колеса на  прямолинейном участке дороги (средняя скорость подруливания).

Существенное  влияние на устойчивость и управляемость автомобиля оказывают колебания управляемых колес.

Для исследования этих колебаний рассмотрим управляемый  мост как динамическую систему. При  этом предположим, что автомобиль имеет  зависимую подвеску колес.

Перемещения масс управляемого моста при движении автомобиля

Рис. 4 
а) в вертикально – поперечной плоскости; б) в горизонтальной плоскости

При движении колесной машины возможны следующие перемещения масс моста: вертикальное перемещение в вертикально - поперечной плоскости, обозначенное координатой .

Угловое перемещение  в вертикально - поперечной плоскости, обозначенное координатой  .

Угловое перемещение  колес относительно шкворней в горизонтальной плоскости, обозначенное координатой  .

Наибольшее  влияние на управляемость и устойчивость автомобиля оказывают угловые колебания  колес моста в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях (координаты и ).

Возмущающий момент, вызывающий колебания управляемых колес, может возникать вследствие гироскопического эффекта колес, несоответствия кинематики подвески и рулевого привода, а также из - за неуравновешенности (дисбаланса) колес.

Угловые колебания  в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях взаимосвязаны. Эта связь обусловлена гироскопическим эффектом.

Гироскоп - быстро вращающийся маховик, заключенный  в рамку с двумя цапфами, которые позволяют ей вращаться вокруг вертикальной оси.

Если приложив внешний момент , поворачивать гироскоп с вращающимся маховиком так, как это показано на рисунке, то рамка гироскопа начнет поворачиваться в цапфах вокруг вертикальной оси с угловой скоростью . Это движение носит название прецессии и совершается под действием гироскопического момента , который определяется по формуле:

                                                                                   (2)

где         - момент инерции маховика относительно собственной оси вращения;

             - угловая скорость маховика относительно собственной оси вращения;

- угловая скорость поворота  рамки гироскопа.

Управляемые колеса движущегося автомобиля, представляют собой маховики гироскопов и реагируют на всякое угловое перемещение их осей.

Возникновение гироскопического момента при наезде одного из управляемых колес на неровность.

                    

Рис.6

Например, если вследствие наезда на неровность ось моста повернулась в поперечно - вертикальной плоскости на угол , то возникает гироскопический момент , стремящийся повернуть управляемые колеса в горизонтальной плоскости. Величина этого момента определяется  скоростью автомобиля, моментом инерции левого и правого колес , и угловой скоростью поворота осей колес . Аналогично при повороте управляемых колес в горизонтальной плоскости возникает гироскопический момент, поворачивающий мост в  поперечно - вертикальной плоскости.

Связь между  угловыми колебаниями управляемых  колес в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях зависит от скорости движения автомобиля и кинематики подвески.

При малых скоростях  движения, когда гироскопические  моменты колес малы, колебания колес в вертикально - поперечной  и горизонтальной плоскости можно считать независимыми.

С увеличением  скорости движения автомобиля  связь  между колебаниями колес в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях усиливается и будет тем больше, чем больше отклоняются плоскости вращения колес от вертикальной плоскости при их перемещениях.

При высоких  скоростях движения угловые колебания  управляемых колес  сопровождаются  значительными  упругими  деформациями подвески, шин и деталей рулевого управления, которые обуславливают появление значительных по величине восстанавливающих моментов. В следствии этого, при некоторых условиях могут возникать самовозбуждающиеся колебания управляемых колес.

Эти колебания  носят характер автоколебаний и  называются «шимми» -   (Шимми - название бального танца).

Приведенные исследования показывают, что при уменьшении жесткости подвески, шин и деталей рулевого управления, увеличении масс колес, а также гироскопические связи (увеличение скорости движения автомобиля ) амплитуда колебаний колес возрастает.

Поскольку явления  автоколебаний (шимми) вызвано гироскопической связью угловых колебаний моста в вертикально - поперечной плоскости и колес в горизонтальной плоскости, устранение этих колебаний обеспечивается применением независимых подвесок, в которых деформация упругих элементов не приводит к изменению положения плоскости вращения колес.

К таким подвескам  относятся: свечные подвески, подвески на продольных рычагах, 2-х рычажные подвески с поперечным расположением рычагов и т.д. (рис.7).

Схема независимых  подвесок

Рис. 7

Колебания управляемых  колес могут быть вызваны также  наличием двойной связи управляемых  колес с корпусом (рамой) машины (через подвеску и рулевое управление).

Причиной колебаний  управляемых колес относительно шкворней может быть несогласованность кинематик подвески и рулевого управления.

Рис. 8

При перемещениях балки моста относительно рамы (рис. 8), шарнир на конце рычага поворотной цапфы должен качаться с одной стороны, в соответствии с кинематикой подвески по траектории А - А, а с другой - по дуге В-В, радиус которой равен длине продольной рулевой тяги. Расхождение дуг А-А и В-В приводит к тому, что управляемые колеса при их вертикальных перемещениях относительно рамы автомобиля поворачиваются вокруг шкворней.

Поэтому при  выборе кинематики подвески и кинематики рулевого привода всегда стремятся  расположить как можно ближе  центры качания рессор (направляющих элементов подвески) и продольной рулевой тяги.

Вынужденные колебания управляемых колес также могут быть вызваны их неуравновешенностью (дисбалансом).

Возбуждение колебаний  при неуравновешенности управляемых  колес

Рис. 9

Если автомобильное  колесо имеет избыток массы (дисбаланс) в точке а, то при его вращении возникает центробежная сила , которую можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Под действием силы колесо стремиться повернуться относительно шкворня в горизонтальной плоскости, а под действием силы переместится в вертикальном направлении.

Наиболее неблагоприятным является случай, когда оба колеса имеют дисбаланс и неуравновешенные участки расположены в одной плоскости, но с разных сторон оси вращения колес. В этом случае моменты и , действующие на колеса, складываются и угловые колебания становятся особенно сильными.

Для уравновешивания  колес производится их динамическая балансировка. При этом сначала определяется требуемая дополнительная масса  балансировочного груза и место  его размещения, а затем груз устанавливается на колесо.

Предельный  дисбаланс колеса в сборе у  легковых автомобилей не должен превышать 30 нсм, у грузовых - 115 нсм. Для балансировки колес применяются специальные балансировочные станки.

Устойчивость  прямолинейного движения автомобиля в  значительной мере обеспечивается стабилизацией управляемых колес.

1.2. Плавность хода автомобиля

Плавность хода автомобиля является одним из наиболее важных эксплуатационных свойств автомобиля, существенным образом влияющим на:

а) среднюю скорость движения автомобиля;

б) утомляемость личного состава;

в) срок службы механизмов, агрегатов;

г) сохранность грузов.

Плавность хода - это способность двигаться по дорогам и местности с заданными эксплуатационными скоростями без значительных  ударов, толчков и таких колебаний корпуса, которые могли бы оказать вредные влияния на физиологическое состояние экипажа, перевозимых людей, сохранность грузов и нормальную работу механизмов автомобиля.

Необходимая плавность  хода достигается конструкцией подвести и частично шинами. Упругие элементы подвести и шины преобразуют энергию ударов и толчков в энергию колебаний, которая рассеивается амортизаторами.

Критерии оценки плавности  хода могут служить такие показатели колебаний подрессоренной массы  автомобиля как:

а) частота колебаний;

б) максимальная скорость колебаний;

в) скорость изменения ускорений колебаний.

Кратко рассмотрим эти  показатели.

Частота колебаний подрессоренной части автомобиля очень важна  с точки зрения обеспечения плавности  хода. Наиболее простым критерием  оценки плавности хода может служить частота собственных колебаний корпуса автомобиля.

Условием хорошей плавности  хода является совпадение величин частот собственных колебаний со средней  частотой шагов (60...90 мин) человека, что  соответствует 1,0...1,5 Гц.

Однако, для более точной оценки плавности хода необходимо оценивать параметры не только собственных, но и вынужденных колебаний.

Максимальная амплитуда колебаний зависит от подвески автомобиля и условий его движения (скорость движения, неровности дороги). Но параметр, хотя и характеризует колебательное движение автомобиля, не может в полной мере служить критерием оценки плавности хода с точки зрения воздействия на организм человека. Поэтому амплитуда учитывается обычно с другими показателями (в частности с частотой колебаний).

Максимальная скорость колебательного движения едва ли может служить критерием плавности хода ибо почти не ощущается организмом человека.

Максимальное ускорение как критерий имеет большое значение для оценки действия колебательного движения на организм человека. Ускорение определяет те максимальные силы, которые вызывают в организме человека неприятные и даже болезненные ощущения.