Спектральный метод расчета систем подрессоривания колесных машин

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана







Л.Ф. Жеглов



Спектральный метод расчета систем подрессоривания колесных машин




Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Автомобиле- и тракторостроение» и «Многоцелевые гусеничные и колесные машины» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы»










2-е издание, исправленное и дополненное










Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2013

УДК 629.113(075.8)
ББК 39.33-04

    Ж46

Рецензенты: Е.А. Галевский, В.В. Ломакин, А.М. Петренко, Ю.М. Ситников

      Жеглов Л. Ф.
Ж46     Спектральный метод расчета систем подрессоривания колесных
      машин : учеб. пособие / Л. Ф. Жеглов. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. - 210, [2] с. : ил.

          ISBN 978-5-7038-3709-2

           Приведен общий алгоритм расчета вибрационной безопасности колесных машин в частотной и временной областях. Определены показатели оценки неблагоприятного действия вибрации на человека и конструкцию. Рассмотрены особенности расчета линейных и нелинейных систем подрес-соривания, целевые функции для оптимизации параметров подвески, синтез структуры динамической системы подвески с оптимальными характеристиками. Предложены подходы к определению закона управления автоматической, в том числе и адаптивной, системой подрессоривания и к оценке ее характеристик.
           Рецензируемое учебное издание рекомендуется ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» к использованию в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы высшего профессионального образования по специальностям «Автомобиле- и тракторостроение», «Многоцелевые гусеничные и колесные машины» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы».
           Регистрационный номер рецензии № 1666 от 22.12.2011 г. (МГУП им. Ивана Федорова).


                                                           УДК 629.113(075.8)
                                                           ББК 39.33-04

Учебное издание

Жеглов Лев Федорович
СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА СИСТЕМ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КОЛЕСНЫХ МАШИН
Редактор Е.Н. Ставицкая
Корректор О.В. Калашникова
Компьютерная верстка Н.Ф. Бердавцевой
Подписано в печать 25.01.2013. Формат 60х84 1/16.
Усл. печ. л. 12,32. Тираж 500 экз. Изд. № 116. Заказ №
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1.


ISBN 978-5-7038-3709-2

© Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

ВВЕДЕНИЕ

   Проблема снижения вибрационного воздействия на человека и элементы конструкции имеет давнюю историю, но, несмотря на это, она постоянно дискутируется применительно к колесной машине (КМ) как экологическому и техническому объекту. В связи с этим выбор метода и разработка методики проектирования систем виброзащиты КМ являются важными практическими задачами, основное требование которых — найти оптимальные параметры виброизоляции, обеспечивающие нормативные показатели действия вибрации на человека и долговечность конструкции КМ. Подход к решению в данном случае основан на том, что нормативные показатели задаются в частотной области и здесь же определяются при схематизации параметры эксплуатационного нагрузочного режима. Следует также учитывать, что процедура определения спектральных характеристик в случае частотного представления линейной и нелинейной динамических систем не требует моделирования случайного возмущения во временной области и специальной обработки анализируемого временного случайного вибросигнала, что снижает ошибку проводимых расчетов. Кроме того, используя частотный метод анализа, можно достаточно успешно определить влияние различных факторов на эффективность систем подрессоривания с оптимальной передаточной функцией, включая системы с упреждением, и возможность проведения синтеза схемы такой подвески. Нельзя не отметить, что рассматриваемый метод является плодотворным также при выборе структуры и оценке качества управляемых систем подрессоривания.
   Настоящее учебное пособие будет полезным для студентов старших курсов, изучающих дисциплины «Методы расчета и проектирования автомобиля», «Системы подрессоривания колесных машин» и «Спектральная теория проектирования систем подрессоривания». Пособие может быть использовано при курсовом и дипломном проектировании и выполнении НИРС.

3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

   Системой подрессования (подвеской) называют совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между несущей системой и мостами или колесами и предназначенных для снижения интенсивности вибрации и динамических нагрузок, которые действуют на человека, перевозимый груз и элементы конструкции КМ при ее движении по неровной поверхности дороги. Подвеска осуществляет передачу всех сил и моментов, действующих со стороны колеса, на несущую систему и позволяет регулировать положение кузова в зависимости от статической нагрузки. При использовании в качестве виброизоляции кузова КМ регулируемой или управляемой системы подрессоривания связь между несущей системой и колесами может быть как упругой, так и жесткой. Подвеска состоит из направляющего, упругого и демпфирующего устройств.
   Направляющее устройство частично или полностью воспринимает силы и моменты, действующие на колеса, и определяет характер их перемещений относительно несущей системы. Упругое устройство передает в основном вертикальные силы, действующие со стороны колес на несущую систему. Для уменьшения поперечного крена кузова применяют дополнительное упругое устройство — стабилизатор поперечной устойчивости. Демпфирующее устройство обеспечивает необходимое затухание колебаний кузова и колес.
   Упругое и демпфирующее устройства подвески практически полностью обеспечивают виброизоляцию кузова КМ, а также снижение динамических нагрузок, действующих на ее элементы.
   Подвески классифицируют в основном по типу кинематической схемы направляющего устройства, упругого и демпфирующего элементов. Кинематическая схема направляющего устройства определяет характер связи отдельных колес между собой и с несущей системой КМ.
   Подвески подразделяют на зависимые и независимые. Зависимые подвески бывают с поперечной и продольной связями. При по

4

перечной связи оба колеса одного моста установлены на жесткой оси. Подвески с продольными связями называют балансирными.
   При независимой подвеске каждое колесо автономно подвешивают к несущей системе, что делает несвязанными перемещения колес одного моста или борта. В случае применения независимой подвески наилучшим образом сочетаются кинематические схемы подвески и привода рулевого управления, обеспечивается устойчивое движение КМ при больших скоростях, высокая плавность хода при относительно малых размерах упругого элемента, а также уменьшается масса неподрессоренных частей КМ.
   Упругие элементы бывают металлическими, пневматическими, пневмогидравлическими, резиновыми и комбинированными. К металлическим упругим элементам относятся листовые рессоры, спиральные пружины (цилиндрические и конические), торсионы. Перспективным является использование в подвесках КМ пневматических и пневмогидравлических упругих элементов. В пневмогидравлических элементах, как и в пневматических, рабочим телом является газ, а силы, действующие со стороны колеса, передаются сжимаемому газу через жидкость. Резиновые упругие элементы широко применяют как вспомогательные (корректирующие и ограничительные) и установочные детали, способствующие снижению вибрации.
   Демпфирующие элементы (амортизаторы) в зависимости от используемого рабочего тела подразделяют на гидравлические, пневматические и фрикционные. В подвесках КМ преимущественно применяют гидравлические амортизаторы, в которых используются вязкие жидкости, истекающие через ограниченное сечение — калиброванное отверстие или зазор.
   Основные требования при проектировании системы подрессо-ривания КМ:
   обеспечение плавности хода, снижение динамических нагрузок на элементы конструкции и опорную поверхность в заданном частотном диапазоне;
   повышение устойчивости и управляемости;
   обеспечение надежности системы подрессоривания.
   Проектирование системы подрессоривания КМ, независимо от типа кинематической схемы направляющего устройства, упругого и демпфирующего элементов, целесообразно проводить в определенном порядке, позволяющем обеспечивать наиболее полное выполнение указанных требований (рис. 1). Условно процесс проек5

Рис. 1. Схема определения параметров устройств системы подрессоривания

6

тирования системы подрессоривания можно разбить на три последовательных этапа:
   1) выбор основных параметров;
   2)  определение нагрузочных характеристик;
   3)  расчет конструктивных параметров.

        Контрольные вопросы

   1. Назовите основные устройства подвески.
   2.  В чем состоит классификация систем подрессоривания?
   3.    Какие данные являются исходными в алгоритме определения параметров устройств систем подрессоривания?
   4.    Перечислите основные требования, предъявляемые к системам подрессоривания.
   5.    На какие основные этапы подразделяется процесс проектирования систем подрессоривания?

2. КРИТЕРИЙ И ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВНОСТИ ХОДА


   Под плавностью хода понимают качество КМ, характеризующее вибрационную безопасность водителя, пассажиров, перевозимых грузов и ее собственных агрегатов от воздействия вибрации, которая имеет место при движении КМ. Далее будет рассмотрена вибрационная безопасность только человека.


        2.1. Воздействие вибрации на человека


   Возникающие при эксплуатации КМ колебания ее элементов оказывают влияние не только на их техническое состояние, но и на человека, находящегося вблизи источника вибрации или в непосредственном контакте с ним. Длительное воздействие вибрации нару

шает нормальное состояние человека, влияет на производительность труда и качество выполняемой им работы. Действие вибрации на

человека определяется ее направлением, интенсивностью, спектром

частот, продолжительностью и местом приложения возмущения, а

Рис. 2. Кривые «равного ощущения» при гармонической вибрации:
1 - порог ощущений; 2 - начало неприятных ощущений

также индивидуальными особенностями человека.
   Зависимость среднего квадратического отклонения вертикального виброускорения сидящего человека от частоты f колебаний при его постоянной вибронаг-руженности приведена на рис. 2 (кривые «равного ощущения»).
   На рисунке видно, что в диапазоне частот 4...8 Гц повышается чувствительность организма человека к вибрации. Причина


этого заключается, очевидно, в резонансных явлениях различных частей тела человека и внутренних органов. Большинство кривых «равного ощущения» получено при воздействии на человека гармонической


8

вибрации. При случайной вибрации кривые «равного ощущения» в различных диапазонах частот имеют общий характер, но количественно отличаются от полученных при гармонической вибрации.

        2.2. Нормирование плавности хода

   Вибрация при постоянном воздействии оказывает неблагоприятное влияние на организм человека, поэтому ее нормируют. Общий подход к нормированию вибрации заключается в ограничении виброускорения или виброскорости, измеренных на рабочем месте человека-оператора в зависимости от направления действия вибрации, ее частоты и продолжительности. Отметим, что плавность хода КМ характеризуется общей вибрацией, т. е. вибрацией, которая передается через опорные поверхности на тело сидящего человека. Для гигиенической оценки вибрации, действующей на человека, используют следующие методы:
   интегральный — показатели вибрационной нагрузки определяют во всем заданном частотным диапазоне;
   раздельно-частотный — заданный частотный диапазон разбивают на поддиапазоны, в каждом из которых рассчитывают показатели вибрационной нагрузки.
   При нормировании вибрации, передаваемой человеку, кривые «равного ощущения» впервые стали использовать в стандарте ИСО, который устанавливает допускаемые средние квадратические отклонения виброускорения в третьоктавных полосах частот в диапазоне среднегеометрических частот 0,8...80,0 Гц при различной продолжительности действия вибрации. Этот стандарт предусматривает оценку как гармонической, так и случайной вибрации.
   Аналогичный подход к нормированию вибрации использован в ГОСТ 12.1.012, положения которого являются основой определения критерия и показателей плавности хода КМ.
   В качестве критерия плавности хода вводят критерий «безопасность», не допускающий нарушения здоровья человека-оператора и пассажиров. Показатели плавности хода обычно назначают по выходной величине, которой является вертикальное виброускорение или вертикальная виброскорость. Эти выходные величины измеряют на сиденье водителя или пассажира. Следует отметить, что при оценке вибрационной нагрузки на человека предпочтительной выходной величиной является виброускорение. Для санитарного


9

нормирования и контроля интенсивность вибрации можно оценить средним квадратическим отклонением вертикального виброускорения, а также его логарифмическим уровнем


Zₐᵢ=201g^,
                                 °z0

где — в дБ; о^о — пороговое среднее квадратическое отклонение вертикального виброускорения, о₅₀ = 10⁻⁶ м/с².
   Среднее квадратическое отклонение называют контролируемым параметром.
   Плавность хода КМ определяют при постоянной вибрации в диапазоне частот 0,7...22,4 Гц.
   Нормируемыми показателями вибрационной нагрузки на человека являются одночисловые параметры (интегральная оценка) или спектр (раздельно-частотная оценка) вибрации. К одночисловым параметрам относится скорректированное по частоте значение контролируемого параметра, с помощью которого учитывается неоднозначность восприятия человеком вибрации с различным спектром частот. Скорректированное по частоте значение контролируемого параметра и его логарифмический уровень вычисляют следующим образом:

                        Jn , Xfe-Ozz) ; i=l
(1)
^6z⁼¹⁰¹gZ¹⁰°’¹⁽Laa⁺LK;⁾> j=l
где ой,Лой — среднее квадратическое отклонение вертикального виброускорения и его логарифмический уровень в z-й октавной или третьоктавной частотной полосе; к%,   — весовой коэффициент
для контролируемого параметра и его логарифмический уровень в 1-й полосе частот, =201g^₇; п — число полос в нормируемом диапазоне частот.
   Граничные частоты октавной и третьоктавной полос частот определяют из соотношений


10