На правах рукописи

Поздеев Алексей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ДВУХПОЛОСТНЫХ

ПНЕВМАТИЧЕСКИХ РЕССОР НА ОСНОВЕ СИНТЕЗА

ОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ КОММУТАЦИИ ПОЛОСТЕЙ

05.05.03 – Колёсные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена на кафедре «Автомобильные перевозки»

в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Рябов Игорь Михайлович.

Официальные оппоненты: Шеховцов Виктор Викторович, доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, профессор кафедры «Автомобиле- и тракторостроение»;

Сергеев Александр Павлович, кандидат технических наук, доцент Волгоградский государственный аграрный университет, заведующий кафедрой «Тракторы, автомобили и теплотехника».

Ведущая организация Пензенский государственный университет архитектуры и строительства.

Защита состоится « 01 » июня 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 28 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ожогин Виктор Александрович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время на современных автотранспортных средствах (АТС) различной грузоподъемности широкое распространение получили подвески, включающие однополостные пневматические рессоры (ПР) низкого давления с резинокордной оболочкой (РКО) в качестве упругого элемента и гидравлические амортизаторы. Такие подвески имеют ряд преимуществ перед подвесками с металлическими упругими элементами, однако и они не обеспечивают нормативные показатели плавности хода АТС на неровных дорогах, что вызывает необходимость их совершенствования. Перспективным направлением такого совершенствования является применение двухполостных пневматических рессор (ДПР) с коммутацией (сообщением и разобщением) полостей в цикле колебаний. Алгоритмами коммутации полостей занимались многие исследователи: Г.С. Аверьянов, А.С. Горобцов, А.С. Дьяков, Б.А. Калашников, В.В. Новиков, А.В. Синев, Б.Н. Фитилев, Р.Н. Хамитов, В.И. Чернышев и др., которые доказали возможность улучшения виброзащитных свойств ДПР. Однако проведенные исследования носят разобщенный характер и не решена задача выявления оптимальных алгоритмов коммутации полостей, обеспечивающих повышение виброзащитных свойств ДПР. В связи с этим тема диссертации является актуальной.

Цель работы: повышение виброзащитных свойств пневматических подвесок автотранспортных средств на основе синтеза оптимальных алгоритмов коммутации полостей двухполостных пневматических рессор.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать теоретические предпосылки, необходимые для поиска оптимальных алгоритмов коммутации полостей ДПР, которые включают:

– определение оптимальных условий изменения жесткости упругого элемента в цикле колебаний одноопорной одномассовой регулируемой линейной колебательной системы (РЛКС), обеспечивающих минимизацию абсолютных перемещений подрессоренной массы;

– сравнительную оценку виброзащитных свойств РЛКС с найденным алгоритмом оптимального управления жесткостью и известным алгоритмом оптимального управления демпфированием;

2. Разработать методику синтеза алгоритмов коммутации полостей ДПР и синтезировать алгоритмы;

3. Разработать математические модели колебательных систем с ДПР на основе формулы обобщенной упругодемпфирующей характеристики;

4. Провести исследование виброзащитных свойств ДПР с коммутацией полостей по синтезированным алгоритмам и выявить оптимальные алгоритмы по отдельным показателям;

5. Предложить новый алгоритм коммутации полостей ДПР и провести исследование виброзащитных свойств ДПР с коммутацией полостей по этому алгоритму;

6. Разработать и обосновать новые показатели оценки алгоритмов коммутации полостей ДПР;

7. Провести многопараметрическую оптимизацию синтезированных алгоритмов коммутации полостей ДПР и выявить оптимальный алгоритм по совокупности показателей;

8. Разработать методики стендовых испытаний ДПР с механическим и микропроцессорным управлением коммутацией полостей;

9. Разработать конструкции ДПР, обеспечивающие коммутацию полостей по выявленным оптимальным алгоритмам.

Автор выражает благодарность доктору технических наук Новикову Вячеславу Владимировичу за научное консультирование Методы исследования. В диссертации используются методы теоретической механики, в частности теории колебаний, математической теории оптимального управления, вычислительной математики и программирования, а также стендовые испытания с помощью современной контрольно-измерительной аппаратуры.

';

Объекты исследований. Объектами исследований являлись экспериментальные ДПР с механическим и микропроцессорным управлением коммутацией полостей, созданные на базе серийных рессор автобуса «Волжанин».

Научная новизна:

1. Впервые на основе принципа максимума Л.С. Понтрягина определены оптимальные моменты мгновенного переключения жесткости в цикле колебаний РЛКС;

2. Впервые проведена сравнительная оценка виброзащитных свойств РЛКС с найденными на основе принципа максимума Л.С. Понтрягина алгоритмами оптимального управления демпфированием и жесткостью в цикле колебаний в результате которой выявлено, что более целесообразным является оптимальное управление жесткостью;

3. Получена формула обобщенной упругодемпфирующей характеристики ДПР, с помощью которой синтезированы 30 различных алгоритмов коммутации полостей, необходимых для проведения оптимизации;

4. Разработаны математические модели одноопорных одномассовой и двухмассовой колебательных систем с ДПР на основе предложенной формулы обобщенной упругодемпфирующей характеристики;

5. В результате исследования виброзащитных свойств ДПР с синтезированными алгоритмами коммутации полостей при вынужденных и свободных затухающих колебаниях выявлены 3 оптимальных алгоритма по отдельным показателям;

6. Предложен новый алгоритм коммутации полостей ДПР с управлением по амплитуде относительных колебаний и по заданной амплитуде выравнивания давлений в полостях ДПР, который легко реализуется на практике;

7. Разработаны и обоснованы новые показатели для оценки алгоритмов коммутации полостей ДПР: коэффициент снижения частоты (КСЧ) колебаний подвески, а также коэффициент неэффективного импульса силы (КНИС);

8. В результате многопараметрической оптимизации доказано, что предложенный новый алгоритм коммутации полостей ДПР является оптимальным по совокупности показателей.

Практическая ценность:

1. Предложенный и обоснованный теоретически и экспериментально оптимальный алгоритм коммутации полостей ДПР с управлением по амплитуде относительных колебаний подрессоренной массы и по заданной амплитуде выравнивания давлений в полостях обеспечивает повышение виброзащитных свойств ДПР по сравнению с известными алгоритмами;

2. Предложенные и апробированные новые показатели КСЧ и КНИС могут быть использованы для оперативной оценки эффективности алгоритмов управления демпфированием и жесткостью в различных типах подвесок АТС;

3. Разработанные и запатентованные конструкции ДПР, обеспечивающие коммутацию полостей по выявленному оптимальному алгоритму, могут быть использованы при создании реальных пневматических подвесок АТС.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на междунар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2009); «Россия периода реформ» (Волгоград, 2009, 2010); «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ‘2011» (Одесса, 2011); «Актуальные проблемы науки в современном мире» (Тамбов, 2011); на всерос. науч.-техн. конф. «Проектирование колёсных машин», посвящ. 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2010); на междунар. науч.-техн. конф.

«Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории, практики и подготовки кадров», посвящ. 70-летию с начала выпуска танков на Челябинском тракторном заводе (Челябинск, 2011); на науч.-практ.

конф. ВолгГТУ (Волгоград, 2010-2012); на регион. конф. молод. исследов. Волгоград. обл. (Волгоград, 2007-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК, и 3 патента на полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы, включающего 178 наименований (из них 57 на иностранных языках), приложений. Работа содержит страниц машинописного текста, включающего 14 таблиц и 127 рисунков.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) теоретические предпосылки, необходимые для поиска оптимальных алгоритмов коммутации полостей ДПР;

2) методика синтеза алгоритмов коммутации полостей ДПР и синтезированные алгоритмы;

3) математические модели одноопорных одномассовой и двухмассовой колебательных систем с ДПР, разработанные на основе предложенной формулы обобщенной упругодемпфирующей характеристики;

4) оптимальный алгоритм коммутации полостей ДПР с управлением по амплитуде относительных колебаний и заданной амплитуде выравнивания давлений в полостях ДПР;

5) методики стендовых испытаний ДПР с механическим и микропроцессорным управлением коммутацией полостей;

6) результаты теоретического и экспериментального исследования виброзащитных свойств ДПР с различными алгоритмами коммутации полостей;

7) новые показатели оценки алгоритмов коммутации полостей ДПР;

8) многопараметрическая оптимизация алгоритмов коммутации полостей ДПР;

9) оригинальные конструкции ДПР, обеспечивающие коммутацию полостей по выявленному оптимальному алгоритму.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена аннотация работы.

Первая глава «Актуальные вопросы повышения виброзащитных свойств подвесок АТС с пневматическими рессорами» посвящена изучению современных путей совершенствования пневматических подвесок АТС. Рассмотрены различные типы ПР и дана их сравнительная оценка. Проведен анализ существующих математических моделей ПР, а также выявлено влияние особенностей конструкций ПР и условий их работы на виброзащитные свойства подвески АТС. В области пневматического подрессоривания имеют публикации многие отечественные и зарубежные ученые: Г.С. Аверьянов, Р.А. Акопян, А.В. Андрейчиков, В.А. Верещака, В.А. Галашин, Г.Д. Гегелидзе, А.М. Горелик, А.С. Горобцов, М.М. Грибов, А.Н. Густомясов, Г.Е. Джохадзе, А.С. Дьяков, А.Н. Зотов, Б.А. Калашников, И.С. Керницкий, В.И. Колмаков, О.С. Кочетов, М.В. Ляшенко, В.В. Новиков, Я.М. Певзнер, В.В. Пилипенко, И. М. Рябов, И.Ф. Сикач, А.В. Синев, Н.Я. Фаробин, Б.Н. Фитилев, Р.Н. Хамитов, В.И. Чернышев, B.I. Bachrach, W. Bauer, M. Berg, H.V. Deo, N. Docquier, C.Erin, V. Gavriloski, M. Goldfarb, J. Grajnert, M.W. Holtz, A.G. Kelkar, H.S. Kim, A.A. Kornhauser, B.T. Kulakowski, J.-H. Lee, I. Maciejewski, J.-H. Moon, A.L. Morales, A.J.Nieto, N. Oda, H. Porumamilla, G. Priyandoko, H. Pu, Z. Qin, G. Quaglia, H. Sayyaadi, X. Shen, N. Shokouhi, M. Sorli, Y. Sugahara, N.P. Suh, K. Toyofuko, T. Yoshimura и др. Обзор литературных источников позволил выявить перспективное направление развития ПР, заключающееся в повышении их виброзащитных свойств путем разделения их рабочего объема на две полости и коммутации этих полостей по определенным алгоритмам. Наиболее значимые результаты в этой области были получены учеными Омского ГТУ Аверьяновым Г.С., Калашниковым Б.А. и Хамитовым Р.Н. Однако их исследования носят разобщенный характер и до настоящего времени не были определены оптимальные алгоритмы коммутации полостей, обеспечивающие повышение виброзащитных свойств ДПР. В связи с этим необходимо решить задачу синтеза алгоритмов коммутации полостей, найти оптимальные алгоритмы и разработать реализующие их конструкции.

Вторая глава «Разработка теоретических предпосылок повышения виброзащитных свойств двухполостных пневматических рессор с коммутацией полостей» посвящена решению 1-й задачи исследования. В качестве метода для определения оптимальных условий изменения жесткости упругого элемента, обеспечивающих минимизацию абсолютных перемещений подрессоренной массы в цикле колебаний РЛКС, использовался принцип максимума Л.С. Понтрягина. В соответствии с этим принципом состояние подрессоренной массы m (рис. 1) в каждый момент времени характеризуется действительными числами z1 и z2, причём векторное пространство Z векторной переменной z = ( z1, z2 ) является фазовым пространством состояния подрессоренной массы.

которое будет соответствовать движению подрессоренной массы с минимальным отклонением Рис. 1. Расчетная схема РЛКС по перемещению от предшествующего состояния с переменной жесткостью в каждый последующий момент времени.

С учётом управляющего параметра u дифференциальное уравнение, описывающее состояние подрессоренной массы (рис. 1) имеет вид:

где m – подрессоренная масса; k – коэффициент демпфирования амортизатора;

c – жесткость упругого элемента; z, z, & – перемещение, скорость и ускорение подрессоренной массы; q, q – кинематическое возмущение и его скорость.

С учетом уравнения динамики (2) получено аналитическое решение функционала (1), на основании которого определены моменты и направления переключений, образующие алгоритм оптимального управления жесткостью упругого элемента применительно к РЛКС (рис. 2).

Проведена сравнительная оценка виброзащитных свойств РЛКС с определенными на основе принципа максимума Л.С. Понтрягина алгоритмами оптимального управления демпфированием и жесткостью при раздельном и одновременном регулировании по известным показателям.

Рис. 2. Алгоритм оптимального управления жесткостью и вид соответствующей упругой характеристики РЛКС: I, II, III, IV – участки с постоянной жесткостью В частности оценка по АЧХ перемещений и ускорений (рис. 3) показала, что:

1) наиболее высокие виброзащитные свойства (коэффициент динамичности, близкий к 1) обеспечивает одновременное оптимальное управление демпфированием и жесткостью РЛКС (кривая 4), однако данный вид регулирования сложно реализовать на практике;

2) алгоритм оптимального управления жесткостью (кривая 3) обеспечивает более высокие виброзащитные свойства РЛКС, чем алгоритм оптимального управления демпфированием (кривая 2) и может быть реализован на практике в ДПР, поэтому было проведено его дальнейшее исследование в главе 3.

Рис. 3. АЧХ регулируемой линейной колебательной системы с оптимальным управлением жесткостью, демпфированием, жесткостью и демпфированием одновременно:

а) – абсолютные перемещения; б) – вертикальные ускорения; 1 – нерегулируемая жесткость (u = 1,0) и нерегулируемое демпфирование ( = 0,25); 2 – нерегулируемая жесткость (u = 1,0) и регулируемое демпфирование (max = 0,25 и min = 0); 3 – регулируемая жесткость (umax = 1,0 и umin = 0,5) и нерегулируемое демпфирование ( = 0,25); 4 – регулируемая жесткость (umax = 1,0 и umin = 0,5) и регулируемое демпфирование (max = 0,25 и min = 0) Третья глава «Синтез и исследование алгоритмов коммутации полостей двухполостных пневматических рессор» посвящена решению задач исследования 2, 3, 4 и 5.

Разработана методика синтеза алгоритмов коммутации полостей ДПР на основе 11-ти возможных принципов управления коммутацией полостей ДПР, полученных сочетанием параметров колебательной системы (перемещения и скорости абсолютных и относительных колебаний подрессоренной массы), и 7ми возможных способов коммутации полостей, составленных с использованием 3-х типов упругих характеристик. В результате синтеза получены 30 алгоритмов коммутации полостей ДПР и соответствующие им кусочно-нелинейные рабочие диаграммы. Для их математического описания предложена формула обобщенной упругодемпфирующей характеристики ДПР:

где pр – давление в рабочей полости ДПР; pатм – атмосферное давление; Fэ – эффективная площадь; Vп.ст – полный объем ДПР (Vп.ст = Vр.ст + Vд); Vр.ст – объем рабочей полости при статическом положении; Vд – объем дополнительной полости; (z – ) – деформация ДПР; Vi, и (z – )i – управляющие переменные, меняющиеся от i-го участка ходов сжатия и отбоя ДПР в цикле колебаний (i = I, II, III, IV, V или VI).

На основе формулы (3) разработаны математические модели одноопорных одномассовой и двухмассовой колебательных систем с управляемой ДПР, расчетные схемы которых представлены на рис. 4.

Рис. 4. Расчетные схемы одноопорных колебательных систем с управляемой ДПР:

а) – одномассовая; б) – двухмассовая; М и m – подрессоренная и неподрессоренная массы;

T – сухое трение; сш и rш – жесткость и коэффициент демпфирования шины; z и – перемещения подрессоренной и неподрессоренной масс; q – кинематическое возмущение; Vр и Vд – рабочий и дополнительный объёмы (Vр = var, Vд = const); рp и рд – абсолютные давления в рабочем и дополнительном объёмах; Dэ – эффективный диаметр; 1 – РКО; 2 – поршень; 3 – коммутирующее устройство Уравнение динамики колебательной системы (рис. 4, а) имеет вид:

Система уравнений динамики колебательной системы (рис. 4, б), учитывающая возможность пробоя подвески (на ходах сжатия и отбоя) и отрыва шины от поверхности дороги, имеет вид:

где cпр и bпр – коэффициенты пробоя ДПР на ходах сжатия и отбоя; bотр1 и bотр2 – коэффициенты отрыва шины от дороги; hд – динамический ход сжатия ДПР от статического положения.

Для каждого из рассматриваемых алгоритмов рассчитаны и построены статические упругодемпфирующие характеристики и рабочие характеристики коммутирующего устройства ДПР, на основе которых определена величина потерь энергии в ДПР за цикл колебаний, используемая в дальнейшем для оценки алгоритмов коммутации полостей.

На первом этапе моделирования по уравнению (5) проведен сравнительный анализ виброзащитных свойств ДПР с полученными 30-ю алгоритмами коммутации полостей в диапазоне частот до 5,0 Гц по следующим характеристикам:

– АЧХ абсолютных перемещений подрессоренной массы;

– АЧХ вертикальных ускорений подрессоренной массы;

– частотная характеристика суммарной ширины областей неэффективной работы ДПР в цикле колебаний.

В результате проведенных теоретических исследований колебательной системы (рис. 4, а) в области низкочастотного резонанса установлено следующее:

1) минимальные значения вертикальных ускорений подрессоренной массы обеспечивает алгоритм коммутации с разобщением полостей в моменты смены знака скорости относительных колебаний и с соединением полостей (выравниванием давлений) в моменты смены знака деформации рессоры (рис. 5, а)).

2) минимальные значения абсолютных перемещений подрессоренной массы обеспечивает алгоритм коммутации с разобщением полостей в моменты смены знака скорости относительных колебаний и с соединением полостей (выравниванием давлений) в моменты смены знака скорости абсолютных колебаний (рис. 5, б)).

Рис. 5. Алгоритмы коммутации полостей ДПР и соответствующие рабочие диаграммы:

1 – упругодемпфирующая характеристика ДПР для соответствующего алгоритма;

2 – упругая характеристика серийной ПР с дополнительным объемом Анализ зависимостей суммарной ширины областей неэффективной работы ДПР от частоты кинематического возмущения показал, что они не дают однозначной оценки виброзащитных свойств ДПР. Поэтому в главе 5 были разработаны другие показатели.

На втором этапе моделирования были отобраны 15 алгоритмов коммутации полостей ДПР путем задания ограничения на коэффициент динамичности перемещений подрессоренной массы в низкочастотном резонансе (kд < 3,0). Затем был проведен сравнительный анализ виброзащитных свойств колебательной системы (рис. 4, б) с этими 15-ю алгоритмами коммутации полостей в диапазоне частот до 22,4 Гц по следующим характеристикам:

– АЧХ абсолютных и относительных перемещений подрессоренной массы;

– АЧХ вертикальных ускорений подрессоренной массы;

– осциллограммы свободных затухающих колебаний.

В результате проведенных исследований на втором этапе выявлено:

1) минимальные значения вертикальных ускорений подрессоренной массы во всем рассматриваемом диапазоне частот обеспечивает алгоритм коммутации, приведенный на рис. 5, а).

2) минимальные значения относительных перемещений подрессоренной массы в области высокочастотного резонанса и свободных затухающих колебаний обеспечивает алгоритм коммутации с выравниванием давлений и разобщением полостей в моменты смены знака скорости относительных колебаний подрессоренной массы, приведенный на рис. 5, в).

На основе анализа оптимальных алгоритмов, приведенных на рис. 5, предложена новая упругодемпфирующая характеристика ДПР и соответствующий ей алгоритм коммутации полостей по амплитуде относительных колебаний и по заданной амплитуде выравнивания давлений. По этому алгоритму разобщение рабочей и дополнительной полостей происходит в момент смены направления скорости деформации ДПР, а соединение полостей и происходящее при этом выравнивание давлений – в момент достижения амплитуды деформации ДПР постоянной величины сж или отб (рис. 6).

Рис. 6. Предложенная упругодемпфирующая характеристика и условия для определения размаха и амплитуд выравнивания давления: 1 – упругодемпфирующая характеристика ДПР для нового алгоритма; 2 – упругая характеристика серийной ПР Также разработана математическая запись нового алгоритма коммутации, которая представляет собой следующую систему выражений:

Как видно из условий на рис. 6, моменты выравнивания давлений в рабочей и дополнительной полостях на ходах сжатия и отбоя находятся в интервале между моментом смены знака деформации (статическое положение ДПР) и моментом смены знака скорости z подрессоренной массы: 0 < < z& =0.

Четвертая глава «Методики экспериментального исследования виброзащитных свойств ДПР с коммутацией полостей» посвящена решению задачи 8.

Здесь приведено описание созданных методик стендовых испытаний ДПР с коммутацией полостей по предложенному алгоритму с регулированием упругодемпфирующей характеристики по амплитуде относительных колебаний и по заданной амплитуде выравнивания давлений в полостях. Разработаны методики и экспериментальные установки для определения виброзащитных свойств ДПР с механическим коммутирующим устройством и с клапанным блоком и микропроцессорной системой управления коммутацией.

Для проведения экспериментов использовался динамический стенд кафедры автоматических установок ВолгГТУ для исследования упругих элементов и одноопорных колебательных систем, который внедрён в учебный процесс и входит в состав испытательной лаборатории ВолгГТУ, аккредитованной Госстандартом РФ. Стенд позволяет проводить испытания на свободные затухающие колебания методом сбрасывания и стягивания, на вынужденные колебания при гармоническом и бигармоническом кинематическом возмущении с различной амплитудой в широком диапазоне частот, а также определять статические и динамические характеристики подвески.

Пятая глава «Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование двухполостных пневматических рессор с повышенными виброзащитными свойствами» посвящена решению задач 6 и 7. Здесь анализируются результаты проведенных исследований для ДПР с предложенным алгоритмом коммутации полостей по амплитуде относительных колебаний и по заданной амплитуде выравнивания давлений в полостях.

На рис. 7 показаны расчетные АЧХ абсолютных перемещений и вертикальных ускорений подрессоренной массы на серийной ПР с гидроамортизатором ( = 0,25) и на ДПР с оптимальными алгоритмами коммутации равнообъемных полостей (рис. 5 и 6).

Рис. 7. Расчетные АЧХ абсолютных колебаний подрессоренной массы М = 1,5 т при 2q0 = 15 мм: а) – перемещения; б) – ускорения; 1, 2, 3 – ДПР с алгоритмами а), б), в) на рис. 5;

4 – ДПР с новым алгоритмом (рис. 6); 5 – серийная ПР с гидроамортизатором ( = 0,25) Из рис. 7, а) и б) видно, что в низкочастотном резонансе новый алгоритм коммутации полостей (кривая 4) обеспечивает коэффициент динамичности, равный 1,8 с собственной частотой колебаний 1 Гц, а также значительно снижает вертикальные ускорения. При этом ДПР с каждым из оптимальных алгоритмов (кривые 1, 2, 3 и 4) обеспечивает более высокие виброзащитные свойства, чем серийная ПР с гидроамортизатором (кривая 5). Как видно из рис. 7, предложенный алгоритм коммутации полостей ДПР обеспечивает наилучшие виброзащитные свойства по рассматриваемым АЧХ.

Была также проведена оценка виброзащитных свойств ДПР с оптимальными алгоритмами на случайных микропрофилях НАМИ: «Динамометрическая дорога» и «Ровный булыжник». В качестве примера на рис. 8 представлены спектры вертикальных ускорений подрессоренной массы М = 1,5 т на ДПР с оптимальными алгоритмами коммутации равнообъемных полостей (рис. 5 и 6).

10-3 - Из графиков на рис. 8 видно, что предложенный алгоритм обеспечивает наименьшую спектральную плотность ускорений в области низких частот. Аналогичные результаты получены при совместной работе ДПР с гидроамортизатором.

На рис. 9 представлены экспериментальные и расчетные АЧХ абсолютных перемещений подрессоренной массы на ДПР с заданной амплитудой выравнивания давлений сж = отб = 5 мм при гармоническом возмущении.

Из анализа данных графиков следует, что значения собственных частот колебаний ДПР находятся в пределах от 1 до 1,1 Гц, а коэффициенты динамичности в резонансе – от 1,9 до 2,2. В резонансе наибольшее расхождение между расчетными и экспериментальными данными собственной частоты и амплитуды колебаний не превышает 10 - 15 %. При этом отклонение расчетных значений от результатов эксперимента с увеличением амплитуды кинематического возмущения уменьшается. Это подтверждает достаточно высокую степень адекватности предложенной выше математической модели (6) исследуемой подвески в области резонанса. Основной причиной расхождения расчетных и экспериментальных результатов является, на наш взгляд, немгновенный характер соединения и разобщения полостей экспериментальной ДПР с механической коммутацией в отличие от мгновенного, принятого в математической модели.

На рис. 10 показаны экспериментальная и расчетные осциллограммы свободных затухающих колебаний подрессоренной массы при сжатии ДПР с алгоритмом, приведенном на рис. 5, в), и новым алгоритмом (рис. 6).

Рис. 9. Экспериментальные и расчетные Рис. 10. Экспериментальная и расчетные АЧХ абсолютных перемещений подрессо- осциллограммы свободных затухающих ренной массы М = 1,0 т при сж = отб = колебаний подрессоренной массы М = 1,0 т :

5 мм: 1, 2 – эксперимент; 3, 4 – расчет; 1 – эксперимент; 2, 3 – расчет; 1, 2 – новый 1, 3 – при 2q0 = 16 мм; 2, 4 – при 2q0 = 20 мм;

Из анализа осциллограмм на рис. 10 видно, что за время затухания колебаний экспериментальные и расчетные графики 1 и 2 практически совпадают, а время затухания практически одинаково для всех рассмотренных вариантов.

Максимальное отклонение теоретической амплитуды затухания от экспериментальной не превышает 10%. Отклонение также связано с немгновенным характером соединения и разобщения полостей экспериментальной ДПР, что приводит к небольшому искажению процесса затухания груза и соответственно снижению амплитуды и времени затухания.

Для оценки и обоснования алгоритмов коммутации полостей ДПР предложены и использованы новые показатели:

- коэффициент снижения частоты (КСЧ) колебаний подвески, равный отношению собственных частот колебаний ДПР с коммутацией полостей и серийной ПР без коммутации;

- коэффициент неэффективного импульса силы (КНИС), действующей на подрессоренную массу в областях неэффективной работы подвески, который определяется как отношение импульса силы ДПР в области ее неэффективной работы к импульсу силы в области ее эффективной работы.

Значения коэффициента КСЧ были определены для отобранных ранее 15-ти алгоритмов коммутации полостей и предложенного алгоритма (рис. 6). Их анализ показал наличие обратной пропорциональной связи между показателем КСЧ и виброзащитными свойствами ДПР. Аналогичная связь была выявлена и для показателя КНИС. Это свидетельствует о том, что эти показатели целесообразно использовать для оценки и обоснования алгоритмов коммутации полостей ДПР.

Проведена многопараметрическая оптимизация исследуемых алгоритмов коммутации полостей в зоне низкочастотного резонанса с помощью предложенной целевой функции по параметрам абсолютных перемещений и ускорений подрессоренной массы и по величине потерь энергии в цикле колебаний. В результате оптимизации выявлено, что минимальное значение целевой функции имеет предложенный алгоритм коммутации полостей ДПР, представленный на рис. 6.

Шестая глава «Предложения по повышению виброзащитных свойств двухполостных пневматических рессор с коммутацией полостей» посвящена решению задачи 9. В ней представлены конструкции двух вариантов саморегулируемой ДПР с повышенными виброзащитными свойствами. Данные конструкции защищены патентами РФ на полезные модели №109697 (рис. 11) и №109698, и реализуют предложенный алгоритм коммутации полостей с управлением динамической упругодемпфирующей характеристикой по амплитуде относительных колебаний и по заданной амплитуде выравнивания давлений.

В приложении диссертации представлены программы расчёта работы ДПР по разработанным математическим моделям.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В работе решена научно-практическая задача повышения виброзащитных свойств двухполостных пневматических рессор автотранспортных средств за счет совершенствования их конструкций путем разработки и реализации методики синтеза оптимальных алгоритмов коммутации полостей.

2. Разработаны теоретические предпосылки, необходимые для поиска оптимальных алгоритмов коммутации полостей ДПР:

а) на основе использования принципа максимума Л.С. Понтрягина для минимизации абсолютных перемещений подрессоренной массы определены оптимальные условия изменения жесткости упругого элемента в цикле колебаний одноопорной одномассовой регулируемой линейной колебательной системы (РЛКС);

б) в результате проведенной сравнительной оценки виброзащитных свойств РЛКС при раздельном и одновременном оптимальном управлении демпфированием и жесткостью установлено, что:

– наиболее высокие виброзащитные свойства (коэффициент динамичности, близкий к 1) обеспечивает одновременное оптимальное управление демпфированием и жесткостью РЛКС, однако данный вид регулирования сложно реализовать на практике;

– алгоритм оптимального управления жесткостью обеспечивает более высокие виброзащитные свойства РЛКС, чем алгоритм оптимального управления демпфированием (снижение коэффициента динамичности до 1,5 и более раз) и может быть реализован в ДПР за счет коммутации полостей.

3. На основе сочетания параметров колебательной системы и возможных способов соединения и разобщения полостей рессоры разработана методика синтеза алгоритмов коммутации полостей ДПР, по которой при выбранных ограничениях были получены 30 алгоритмов.

4. В результате исследования разработанных на основе предложенной формулы обобщенной упругодемпфирующей характеристики математических моделей колебательных систем ДПР с коммутацией полостей при вынужденных и свободных затухающих колебаниях выявлены 3 алгоритма коммутации полостей ДПР, оптимальные по отдельным показателям.

5. Предложен новый алгоритм коммутации полостей ДПР с управлением по амплитуде относительных колебаний и по заданной амплитуде выравнивания давлений в полостях ДПР, который легко реализуется на практике.

6. Разработаны и апробированы новые показатели оценки алгоритмов коммутации полостей ДПР: коэффициент снижения частоты (КСЧ) колебаний подвески и коэффициент неэффективного импульса силы (КНИС). Установлено наличие обратной пропорциональной связи между этими показателями и виброзащитными свойствами ДПР.

7. На основе многопараметрической оптимизации выявлено, что предложенный алгоритм коммутации полостей ДПР обеспечивает минимальное значение целевой функции, т.е. является оптимальным по совокупности показателей.

8. Стендовые испытания экспериментальных ДПР с механической коммутацией полостей, проведенные по разработанной методике, подтвердили повышенные виброзащитные свойства ДПР с предложенным алгоритмом коммутации полостей (коэффициент динамичности 1,9).

9. Разработаны два варианта конструкций ДПР с повышенными виброзащитными свойствами, обеспечивающие коммутацию полостей по предложенному оптимальному алгоритму, на которые получены патенты РФ на полезные модели, причем один из вариантов обладает повышенной надежностью и ремонтопригодностью.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Новиков, В.В. Определение оптимальных алгоритмов регулирования активно-управляемых пневмоподвесок / В.В. Новиков, А.В. Поздеев // Грузовик &. – 2010. – № 5. – С. 6-10.

2. Определение условий оптимального регулирования жесткости пневматической подвески АТС / К.В. Чернышов, А.В. Поздеев, В.В. Новиков, И.М. Рябов // Грузовик &. – 2010. – № 11. – С. 2-5.

3. Дьяков, А.С. Оптимальное управление жесткостью и демпфированием подвески АТС на основе принципа максимума Л.С. Понтрягина / А.С. Дьяков, А.В. Поздеев, А.В. Похлебин // Вестник Академии военных наук. – 2011. – № (спецвыпуск). – С.132-139.

4. Синтез алгоритмов оптимального управления демпфированием и жесткостью подвески АТС / А.В. Поздеев, В.В. Новиков, К.В. Чернышов, И.М. Рябов // Грузовик &. – 2011. – № 6. – С. 2-6.

в прочих изданиях:

5. Поздеев, А.В. Теоретическое исследование пневморессоры с воздушным демпфером, саморегулируемым по амплитуде и направлению колебаний / А.В. Поздеев, В.А. Фёдоров, В.В. Новиков // XII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 13-16 нояб.

2007 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2008. – С. 112-113.

6. Активно управляемая пневматическая подвеска / Д.Ю. Синяев, А.В. Поздеев, А.С. Митрошенко и др.// XIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.:

тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2009. – С. 80-83.

7. Исследование виброзащитных свойств пневматической рессоры переменной структуры с микропроцессорным управлением / В.В. Новиков, А.С. Дьяков, А.В. Поздеев, А.С. Митрошенко // Россия периода реформ: формирование модели рыночно-ориентированной организации как элемент антикризисного управления ОАО “Газпром”: матер. XIII междунар. отраслевой науч.-практ.

конф. (г. Волгоград, 20-22 мая 2009 г.) / НОУ СПО “Волгогр. колледж нефти и газа” ОАО “Газпром” [и др.]. – Волгоград, 2009. – С. 232-239.

8. Исследование зон неэффективной работы пневматической подвески при совместной работе с гидравлическими и воздушными амортизаторами / В.В. Новиков, И.М. Рябов, А.С. Дьяков, А.В. Похлебин, А.В. Поздеев // Россия периода реформ: формирование модели рыночно-ориентированной организации как элемент антикризисного управления ОАО “Газпром”: матер. XIII междунар. отраслевой науч.-практ. конф. (г. Волгоград, 20-22 мая 2009 г.) / НОУ СПО “Волгогр. колледж газа и нефти” ОАО “Газпром” [и др.]. – Волгоград, 2009. – С. 214-219.

9. Чернышов, К.В. Оптимальное регулирование жесткости пневматических рессор подвесок АТС / К.В. Чернышов, А.В. Поздеев, В.В. Новиков // Россия периода реформ: процессный подход к антикризисному управлению ресурсами организации: матер. XIV междунар. науч.-практ. конф. (г. Волгоград, 26-29 мая 2010 г.) / НОУ СПО “Волгогр. колледж газа и нефти”ОАО “Газпром” [и др.].Волгоград, 2010.- С. 163-167.

10. Исследование упругодемпфирующей характеристики пневматической подвески АТС / А.С. Дьяков, А.В. Поздеев, В.В. Новиков, И.М. Рябов // Прогресс транспортных средств и систем – 2009: матер. междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2009. – С. 64-66.

11. Фитилёв, Б.Н. К расчету характеристик пневмоэлемента с воздушным демпфированием / Б.Н. Фитилёв, В.А. Комочков, А.В. Поздеев // Прогресс транспортных средств и систем – 2009: матер. междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13- окт. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2009. – С. 40-47.

12. Поздеев, А.В. Оптимальное управление упругодемпфирующей характеристикой пневматической подвески АТС / А.В. Поздеев, И.М. Рябов, В.В. Новиков // XV Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 9-12 нояб. 2010 г.: тез. докл. /ВолгГТУ [и др.].– Волгоград, 2011.– С. 69-71.

13. Разработка и исследование нового алгоритма управления демпфированием в цикле колебаний подвески АТС / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, А.М. Ковалев, А.В. Поздеев // Проектирование колёсных машин: матер. всерос.

науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25-26 дек. 2009 г.) / ГОУ ВПО “МГТУ им. Н.Э. Баумана”. – М., 2010. – С. 100-108.

14. Поздеев, А.В. Коммутация полостей как способ повышения виброзащитных свойств двухкамерных пневматических рессор / А.В. Поздеев // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ‘2011: сб. науч. тр. Sworld по матер. междунар. науч.-практ. конф.

(04-15 окт. 2011 г.). Т. 2. Технические науки / Одес. нац. морской ун-т [и др.]. – Одесса, 2011. – С. 40-48.

15. Поздеев, А.В. Способы повышения виброзащитных свойств пневматических упругих элементов / А.В. Поздеев // Актуальные проблемы науки в современном мире: сб. науч. тр. по матер. междунар. науч.-практ. конф., 27 сент.

2011 г. / М-во обр. и науки РФ. – Тамбов, 2011. – С. 136-138.

Патенты:

16. П. м. 109697 РФ, МПК B 60 G 11/00. Подвеска колеса автомобиля / И.М. Рябов, А.В. Поздеев, В.В. Новиков, А.С. Дьяков, К.В. Чернышов;

ГОУ ВПО ВолгГТУ. – 2011.

17. П. м. 109698 РФ, МПК B 60 G 11/27, F 16 F 9/04. Пневматическая подвеска / В.В. Новиков, А.В. Поздеев, А.С. Дьяков, В.И. Карлов, Е.А. Черкашина;

ГОУ ВПО ВолгГТУ. – 2011.

18. П. м. 85403 РФ, МПК B 60 G 11/26. Задняя подвеска колёс автомобиля / В.В. Новиков, Ю.Г. Лапынин, И.М. Рябов, А.С. Горобцов, К.В. Чернышов, А.С. Дьяков, С.О. Букаев, А.В. Поздеев, Д.А. Николаев; НОУ СПО “Волгогр.

колледж нефти и газа” ОАО “Газпром”. – 2009.

Степень личного участия автора в опубликованных работах.

В работах [1 – 18] автор принимал непосредственное участие в разработке методики синтеза и оценки алгоритмов коммутации полостей ДПР и соответствующих им упругодемпфирующих характеристик, разработке математических моделей и исследовании на их основе виброзащитных свойств ДПР. При непосредственном участии автора подготовлены и проведены стендовые испытания, запатентованы новые конструкции пневматических рессор.

Подписано в печать.2012. Заказ №. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Волгоградского государственного технического университета