Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА: РЕМОНТ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Магистерская диссертация: «Совершенствование мехатронной системы управления активной подвеской легкового автомобиля»

Магистрант: Х.А. Юсупбеков

Научный руководитель: доцент. А.М. Хакимов

Ташкент-2013

Аннотация магистерской диссертации на тему: «Совершенствование мехатронной системы управления активной подвеской легкового автомобиля»

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

Факультет: Автомеханический Студент магистратуры: Юсупбеков Хондамир Абдуллабек угли

Кафедра: Ремонт транспортных средств Научный руководитель: и технологического оборудования к.т.н, доц. А.М.Хакимов

Учебный год: 2011-2013 Специальность 5А310604 “Автомобили и автомобильное хозяйство”

Актуальность темы. Исследование подвесок легковых автомобилей является одним главных направлений современного автомобилестроения. В большинстве автомобилей характеристики подвески выбираются в результате поиска компромисса между противоречивыми требованиями устойчивости, управляемости, надежности и комфортности. Одной из важнейших задач, стоящих перед конструкторами автомобилей, является создание для человека таких условий движения, при которых он не будет испытывать никаких негативных ощущений.

Цель и задачи исследования. Разработка мехатронной системы автоматического управления сопротивлением гидравлического амортизатора.

Объект и предмет исследования. Объект исследования: Гидравлический амортизатор.

Методология и методы исследования. Мехатронная система управления активной подвеской легкового автомобиля. Теоретическо-экспериментальные методы исследования

Научная новизна исследования: Определение гидравлических характеристик мембранного узла регулируемого амортизатора собственной конструкции.

Практическая значимость и внедрение. Оптимизированы гидравлические характеристики мембранного узла управляемого гидравлического амортизатора при различном перекрытии перепускных отверстий перепускного клапана. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения мехатронной системы управления подвеской легкового автомобиля и повышения комфортности составит 272 млн. сум , при годовой программе 8000 амортизаторов.

Состав и структура диссертации:

Диссертация состоит из 3 глав. Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования Глава 2. Теоретическо-экспериментальное исследование системы управления активной подвеской легкового автомобиля Глава 3. Определение экономического эффекта от производства автомобиля c мехатронной системой управления активной подвеской Выводы и рекомендации

Основные результаты выполненных работ. Разработана мехатронная система управления сопротивлением гидравлического амортизатора, которая приводит к повышению комфортабельности управления и содействует безопасности вождения автомобилем. Разработана конструкция перепускного клапана гидравлического амортизатора с изменяемой характеристикой сопротивления.

Краткая обобщенная формулировка выводов и предложений. Разработана конструкция перепускного клапана гидравлического амортизатора с изменяемой характеристикой сопротивления; Оптимизированы гидравлические характеристики мембранного узла управляемого гидравлического амортизатора при различном перекрытии перепускных отверстий перепускного клапана. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения мехатронной системы управления подвеской легкового автомобиля и повышения комфортности составит 272 млн. сум , при годовой программе 8000 амортизаторов.

Научный руководитель: к.т.н., доц. А.М. Хакимов

Студент магистратуры: Юсупбеков Хондамир Абдуллабек угли

Abstract of the master dissertation on the theme: " Perfection of a mechatron a control system of the active suspension bracket of the car"

Ministry of Higher and Secondary Specialized Education of the

Republic of Uzbekistan

Tashkent Automobile and Rand Construction Institution

Faculty: Automechanical Master student: Yusupbekov Hondamir Abdullabek ugli

Chair «Repair of vehicles and the Scientific adviser:

Technological equipment» Cand.Sc,Ass prof.A.M.Hakimov

Academic year: 2011-2013

Specialty 5А310604- "Automobiles and automobile facilities "

Urgency of the research . The research of suspension brackets of cars is one of the main directions of modern motor industry. In the majority of automobiles the characteristic of a suspension bracket are chosen as a result of search the compromise between the inconsistent requirements of stability, controlling, reliability and comfort. One of the major tasks facing the designers of automobiles, is the creation for the man such conditions of movement, in which it (he) will not get any negative sensations.

The aim and objectives of the research. Working aut of mechatron system of automatic control be resistance of the hydraulic shock-absorber.

Object and subject of the research. The object of the research is hydraulic shock-absorber.

Methodology and methods of the research. Mechatron control system of the active suspension bracket of the car. Theoretical and experimental methods of research.

Scientific novelty of the research: Definition of the hydraulic characteristics membrane of unit of the adjustable shock-absorber of the own mode design.

Practical importance and introduction. The hydraulic characteristics of the membrane unit of the controlled hydraulic shock-absorber hove been optimized in various (blocking) of by-pass openings of by-pass valve. The expected annual economic efficieney from the introduction of mechatron control system by the suspension bracket of the car and increase of comfort will make 272 mln, sums at the annual program of 8000 shock-absorbers.

Contents and structure of the dissertation:

The dissertation consists of 3 chapters.

Chapter 1. The condition of the problem and objectives research problem

Chapter 2. Theoretical and experimental research of the control system of the active suspension bracket of the car

Chapter 3. Definition of the economic effictency from manufacture of the automobile with mechatron control system of the active suspension bracket

Conclusions and recommendations

The basic results of the executed works. The mechatron control system by of the hydraulic shock-absorber resistance has been developed which results in increase of comfort of management it also promotes safety of driving automobile. The design of by-pass valve of the hydraulic shock-absorber with the changeable characteristic of resistance has been developed.

Conclusions and recommendations. The design of by-pass valve of the hydraulic shock-absorber with the changeable characteristic of resistance has been developed; the hydraulic characteristics of membrane unit controlled by hydraulic shock-absorber hove been optimized at various (blocking) of by-pass openings of the by-pass valve. Hove been the expected annual economic effect from introduction of mechatron a control system by the suspension bracket of the car and the increase of the comfort will make 272 mln sooms at the annual program of 8000 shock-absorbers.

Scientific adviser: А.М.Хakimov

Master student: Yusupbekov Hondamir Abdullabek ugli

Оглавление

Аннотация

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Конструкции активной подвески легкового автомобиля

1.1.1 Разновидности подвески легковых автомобилей

1.1.2 Основные требования, предъявляемые к подвеске

1.1.3 Упругие и гасящие элементы подвески

1.1.4 Активные подвески автомобиля с амортизаторми переменной жесткости

1.1.5 Методы улучшения характеристик и эксплуатационных свойств амортизаторов

1.2 Современные мехатронные системы управления активной подвеской легкового автомобиля

1.2.1 Принципы построения современных мехатронных систем

1.2.2 Описание современных мехатронных систем автомобиля

1.3 Цель и задачи исследования

2. Теоретическо-экспериментальное исследование системы управления активной подвеской легкового автомобиля

2.1 Разработка мехатронной схемы управления подвеской автомобиля

2.2 Выбор конструкции перепускного клапана регулируемого амортизатора

2.2.1 Изучение и анализ конструкций регулируемых амортизаторов

2.2.2 Составление конструктивной схемы перепускного клапана регулируемого амортизатора

2.3 Исследование истечения жидкости через отверстия мембраны перепускного клапана регулируемого амортизатора

Выводы по главе 2

3. Определение экономического эффекта от производства автомобиля c мехатронной системой управления активной подвеской

Заключение

Список использованной литературы

Рецензия

Введение

В качестве основного приоритета на 2013 год является продолжение начатой с первых дней независимости политики структурных преобразований и опережающего развития высокотехнологичных современных отраслей и производств, направленной на повышение конкурентоспособности и укрепление позиций Узбекистана на мировых рынках. Для достижения этих целей утверждена Программа “О приоритетах развития промышленности Узбекистана в 2011-2015годах”.[1]

Автомобильная промышленность Республики Узбекистан является одной из отраслей, играющих важную роль в экономическом развитии, обусловленном выходом на мировой рынок. В связи с этим одним из приоритетов развития автомобильной промышленности является внедрение высоких технологий и новых деталей для производства современных автомобилей.

Исследование подвесок легковых автомобилей является одним главных направлений современного автомобилестроения. В большинстве автомобилей характеристики подвески выбираются в результате поиска компромисса между противоречивыми требованиями устойчивости, управляемости, надежности и комфортности. Одной из важнейших задач, стоящих перед конструкторами автомобилей, является создание для человека таких условий движения, при которых он не будет испытывать никаких негативных ощущений. Реализация этого стремления требует тем больше усилий, чем выше становится скорость современного автомобиля. К тому же постоянно приходится искать некий компромисс с такой, например, важной характеристикой этого движения, как управляемость.

Основное назначение подвески - уменьшать динамические нагрузки, действующие на автомобиль, и гасить вертикальные и им сопутствующие колебания колес и кузова друг относительно друга. Однако подвеска, оптимизированная по всему диапазону условий эксплуатации автомобиля, оказывается неоптимальной в каждой из конкретных текущих дорожных ситуаций, отличающихся от расчетной среднестатической. Такое положение вызывает необходимость разработки активной подвески, т.е. подвески автоматически реагирующей на текущие дорожные условия.

Обоснование темы диссертации и его актуальность; Исследование подвесок легковых автомобилей является одним главных направлений современного автомобилестроения. В большинстве автомобилей характеристики подвески выбираются в результате поиска компромисса между противоречивыми требованиями устойчивости, управляемости, надежности и комфортности. Одной из важнейших задач, стоящих перед конструкторами автомобилей, является создание для человека таких условий движения, при которых он не будет испытывать никаких негативных ощущений.

Предмет и объект исследования; Объект исследования: Гидравлический амортизатор.

Цель и задачи исследования; Разработка мехатронной системы автоматического управления сопротивлением гидравлического амортизатора.

Основные задачи и гипотеза научного исследования; Разработкой конструкции перепускного клапана гидравлического амортизатора с изменяемой характеристикой сопротивления; Оптимизацией гидравлических характеристик мембранного узла управляемого гидравлического амортизатора.

Краткий литературный обзор; Потребность повышения эффективности использования автомобилей приводит к необходимости увеличения эксплуатационной скорости, что повышает значимость решения проблемы выбор защищенности рабочего места водителя, поскольку его восприятие уровня плавности хода является «естественным ограничением», лимитирующим максимальную скорость в соответствии с отраслевыми и государственными стандартами (ОСТ 37.001.291 -84 и ГОСТ 12. 1. 012-90). Обеспечение выбор защищенности при этом должно сочетаться с сохранением как мягкости пружин и демпферов, что предпочтительно при езде, так и жесткости, необходимой при маневрировании.

Современные автотранспортные средства должны сочетать улучшенные ходовые качества с удобством в маневрировании, изоляцией водителя от шума, вибрации и толчков, что создает условия комфорта.

В результате анализа мехатронных систем управления двигателем, ABS , VDC и активной подвеской автомобиля, проведенном в гл.1., выявилось, что реально эта система должна включать следующие компоненты: механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган; блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели; устройство компьютерного управления, верхним уровнем для которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в компьютерную сеть; сенсоры, предназначенные для передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии и блоков машины и движении МС (рис.2.1). Управляющее устройство конструктивно может быть объединено, например, с шаговым электродвигателем типа MDrive Plus.

Краткое описание используемых методов исследования; Теоретическо-эксперимент по созданию новых экономически эффективно зоклич методы исследования

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования; Оптимизированы гидравлические характеристики мембранного узла управляемого гидравлического амортизатора при различном перекрытии перепускных отверстий перепускного клапана. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения мехатронной системы управления подвеской легкового автомобиля и повышения комфортности составит 272 млн. сум , при годовой программе 8000 амортизаторов.

Научная новизна исследования; Определение гидравлических характеристик мембранного узла регулируемого амортизатора собственной конструкции.

Краткое содержание диссертации;

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования Глава 2. Теоретическо-экспериментальное исследование системы управления активной подвеской легкового автомобиля Глава 3. Определение экономического эффекта от производства автомобиля c мехатронной системой управления активной подвеской Выводы и рекомендации

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Конструкции активной подвески легкового автомобиля

1.1.1 Разновидности подвески легковых автомобилей

За основу классификации, описания, предъявляемые требования, основные типы и конструкции подвесок были взяты труды Е.А. Чудакова, Й. Раймпеля, А.С. Литвинова, А.Д. Дербаремдикера, Р.В. Ротенберга, Э.В. Копилевича, М.А. Пурника, С.А. Фёдорова [19],[20],[21] .

Потребность повышения эффективности использования автомобилей приводит к необходимости увеличения эксплуатационной скорости, что повышает значимость решения проблемы виброзащищенности рабочего места водителя, поскольку его восприятие уровня плавности хода является «естественным ограничением», лимитирующим максимальную скорость в соответствии с отраслевыми и государственными стандартами (ОСТ 37.001.291 -84 и ГОСТ 12. 1. 012-90). Обеспечение виброзащищенности при этом должно сочетаться с сохранением как мягкости пружин и демпферов, что предпочтительно при езде, так и жесткости, необходимой при маневрировании. амортизатор автомобиль мехатронный

Современные автотранспортные средства должны сочетать улучшенные ходовые качества с удобством в маневрировании, изоляцией водителя от шума, вибрации и толчков, что создает условия комфорта.

Направляющее устройство воспринимает действующие на колеса продольные и поперечные (боковые) силы и их моменты. Кинематика направляющего устройства определяет характер перемещения колес относительно каркаса кузова и оказывает влияние на устойчивость и поворачиваемость автомобиля [3].

Амортизаторы гасят колебания подрессорных и неподрессорных масс. В некоторых подвесках усиливаются стабилизаторы бокового крена, которые уменьшают поперечные наклоны кузова при повороте автомобиля

Подрессоренной массой считается любая часть автомобиля которая имеет между собой и дорогой упругий элемент. Также логично, к неподрессоренным массам относятся все оставшиеся: колеса, шины, ступицы колес и тормозные барабаны или диски.

Классификация подвесок:

По типу упругого элемента:

металлические (листовые рессоры, спиральные пружины, торсионы);

пневматические (резинокордные баллоны, диафрагменные, комбинированные);

гидравлические (без противодавления, с противодавлением) ;

резиновые элементы (работающие на сжатие, работающие на кручение).

По схеме управляющего устройства:

зависимые с неразрезным мостом (автономные, балансирные для под рессоривания 2-х близко расположенных мостов);

независимые с разрезанным мостом (с перемещением колеса в продольной плоскости, с перемещением колеса в поперечной плоскости, свечная, с вертикальным перемещением колеса).

По способу гашения колебаний:

гидравлические амортизаторы (рычажные, телескопические);

механическое трение (трение в упругом элементе и направляющем устройстве). Для получения мягкой подвески нужно, чтобы потери на трение не превышали 5%. Повышенная плавность приводит к ухудшению кинематики перемещения колес, ухудшению устойчивости и увеличения бокового крена колес.

По способу передачи сил и моментов колес:

рессорная, штанговая, рычажная.

По наличию шкворня:

шкворневая, бес шкворневая [2].

На динамичность, устойчивость и управляемость автомобиля влияют кинематические характеристики подвески. Поэтому в данной работе одной из задач улучшения устойчивости автомобиля через улучшение кинематической характеристики его подвески, которая в нашем случае выражается в скорости изменения вертикального положения штока амортизатора относительно нагрузки на него.

Надежность автомобиля во многом зависит от надежности колес и подвески, так как они находятся ближе всего к дороге и подвергаются самым тяжелым условиям эксплуатации. В данной работе мы берем такой показателей надежности как количество отказов за единицу времени естественной наработки (или за единицу пробега автомобиля).

Для получения хорошей плавности хода собственная частота колебаний подрессоренной массы автомобиля на подвеске во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок должна быть небольшой:

легковые автомобили: 4872 кол /мин (0,81,2 Гц);

грузовые автомобили: 72114 кол/мин (1,21,9 Гц).

Это соответствует уровню биения человеческого пульса при быстрой ходьбе.

Однако как показали исследования, при различных дорожных нагрузках частота колебания подвески часто превышает 2 Гц.

Безболезненно человек переносит частоту 60-90 кол/мин (1-1,5 Гц) - это частота колебаний при обычной ходьбе, и к ней человеческий организм наиболее приспособлен. Учитывая конструктивные особенности автомобиля - массу, типы подвески и амортизаторов, давление воздуха в шинах, эластичность сидений, расположение сидений по отношению к осям передних и задних колес - разработчики стремятся обеспечить “естественную” частоту колебаний, желательно, в максимально широком диапазоне условий, в которых работает автомобиль. При этом, чем больше разница в массе нагруженного и порожнего автомобиля, тем сложнее подобрать характеристики упругих элементов, которые обеспечивали бы равные, удовлетворительные параметры подрессоривания .

Высокое соотношение подрессоренных и неподрессоренных масс способствует тому, что автомобиль лучше «держит дорогу».

Любой упругий элемент обладает жесткостью, которая оценивается коэффициентом жесткости, выражаемым как отношение нагрузки, вызвавшей сжатие на определенное расстояние (например, килограммы на сантиметр, фунты на дюйм).

Выбор степени жесткости упругого элемента всегда компромисс между мягкими и жесткими подвесками. Один из способов создание упругого элемента, в котором жесткость не постоянна, а увеличивается по мере его сжатия.

Наличие амортизатора (нерегулируемого) оказывает незначительное влияние на основную степень жесткости упругого элемента. Даже очень жесткий амортизатор будет изменять степень жесткости не более чем на 10%.

Нами разработана методика проектирования подвески с учетом всех вышеизложенных факторов, которая позволяет проводить расчеты элементов подвески.

Современные подвески делают с большим статическим прогибом. Увеличивая прогиб, т.е. проектируя подвеску длинно ходной, можно достичь малой жесткости упругого элемента и приблизиться к желаемым параметрам плавности хода, однако наши теоретические исследования показали, что это также имеет негативную сторону - уменьшается устойчивость автомобиля в связи увеличением амплитуды колебаний такой подвески.

Зависимые подвески в сочетании с упругими рессорными элементами обеспечивают достаточную комфортность передвижения. Однако имеют и свои недостатки. Они не отвечают требованиям управляемости автомобиля. На скоростных участках дороги с неровностями они склонны к уводу автомобиля в сторону. Зависимая подвеска обеспечивает жесткую связь между правым и левым колёсами, в результате чего перемещение одного из них в поперечном направлении передаётся другому, что приводит к наклону кузова [9].

Передние зависимые подвески представляют из себя практически неизменную заднюю подвеску, но в сочетании с поворотными шарнирами. Независимая подвеска характеризуется отсутствием жесткой связи между колёсами одного моста. Каждое колесо подвешено независимо от другого, в результате чего при наезде одним колесом на неровность, его колебания не передаются другому колесу, уменьшается наклон кузова и повышается в целом стойкость автомобиля во время движения. Независимые подвески делятся на два основных типа: свечные и рычажные. Свечные - «Макферсон», рычажные - поперечно рычажные, двух рычажные, продольно рычажные, косо рычажные. Рычажные хороши тем, что достаточно просты по своей конструкции. Они отвечают требованиям управляемости автомобиля. Даже на самых неровных участках дороги при правильном балансе и распределении сил и моментов рычажные подвески обеспечивают должную управляемость и устойчивость. Среди рычажных подвесок наиболее распространены поперечно-рычажные .

Основной недостаток поперечно-рычажных подвесок - в шарнирном сочленении с кузовам применены резинометаллические втулки (сайлентблоки), долговечность которых весьма ограничена. Как показали исследования на надежность шарнирные элементы в конструкции подвески имеют весьма низкую надежность.

Подвеска типа «Макферсон» имеет несколько важнейших недостатков. К ним относятся излишняя чувствительность к дисбалансу колес, усиленное трение между штоком и цилиндром амортизатора (а следовательно, и износ), повышенная передача на кузов дорожных вибраций и шумов, а также недостаточная жесткость в продольном направлении пары «рычаг - плечо стабилизатора» [16].

Передняя подвеска. Конструкция подвески создает отрицательное плечо обката, т.е. точка пересечения оси поворота колеса с полотном дороги лежит с внешней стороны относительно центра пятна контакта шины с дорогой. В комплексе с диагональной схемой разделения гидропривода тормозов это делает автомобиль более устойчивым при торможении на скользкой дороге .

Самое трудное при переходе от зависимой подвески к независимой -- обеспечить нужный уровень управляемости автомобиля. Необходимо учитывать и характеристики шин, и изменение крена, и величину схождения и развала задних колес.

Упругие элементы при эффективном использовании материалов должны быть простыми и компактными, и допускать достаточный ход подвески.

Она преобразовывает воздействие дороги в допустимые колебания кузова и колес. Кинематика направляющего аппарата подвески должна обеспечивать высокую устойчивость и управляемость автомобиля. Проектировщик подвески должен обеспечить определенный уровень вертикальных и продольных угловых колебаний кузова машины, допустимое значение поперечного крена, распределение нагрузки между мостами, перераспределение массы автомобиля на повороте, положение оси крена [68].

Рассмотрев вышеуказанные конструкции подвесок нужно сказать, что работы [1], [3], [13] описывают виды подвесок, но в этих описаниях отсутствуют смешанные типы и альтернативные типы подвесок, используемые современными автопроизводителями.

1.1.2 Основные требования, предъявляемые к подвеске

Упругая характеристика подвески должна обеспечивать высокую плавность хода и отсутствие ударов в ограничители хода, противодействовать кренам при повороте, обеспечить оптимальные характеристики упругих элементов, направляющих устройств, амортизаторов и стабилизаторов;

1. кинематическая схема должна создать условия для возможного малого изменения колеи и углов установки колёс, соответствие кинематики колес кинематике рулевого привода, исключающее колебания управляемых колес, вокруг оси поворота;

2. оптимальная величина затухания колебаний кузова и колес;

3. надежная передача от колес кузову или раме продольных и поперечных усилий и моментов;

4. малая масса элементов подвески и особенно неподрессоренных частей - снижение массы неподрессорных частей автомобиля и приспособленности колес к неровностям пути при переезде через препятствия;

5. достаточная прочность и долговечность деталей подвески и особенно упругих элементов, относящихся к числу наиболее нагруженных частей подвески;

6. оптимальная собственная частота колебаний кузова, определяемая величиной статического прогиба, который определяет плавность хода при движении по дорогам с ровной и твердой поверхностью;

7. достаточный динамический фактор исключающий удары в ограничители прогиба. Этот параметр определяет предельную скорость движения автомобиля по неровным дорогам без ударов в ограничитель.

1.1.3 Упругие и гасящие элементы подвески

Для предотвращения передачи кузову колебаний, вызванных неровностями покрытия трассы, и для улучшения контакта колес с поверхностью дороги применяется упругая подвеска колес. Роль упругого элемента может выполнять рессора, пружина, торсион и т.д. В современной автомобильной практике в основном используются пружины.

Жесткость подвески зависит от величины коэффициента жесткости и от расположения точек крепления пружины относительно нижнего рычага.

Амортизатор частично поглощает энергию сжатой пружины, тем самым уменьшая амплитуду и частоту колебаний кузова. При использовании амортизаторов, колебания шасси затухают за один, полтора хода подвески [22].

Энергопоглощающая способность амортизатора зависит от площади перепускных отверстий и вязкости жидкости. Чем больше площадь отверстий и чем меньше вязкость жидкости, тем меньше энергии поглощает амортизатор, и тем дольше будут затухать колебания шасси [18].

В идеальном случае настройка пружин и амортизаторов должна производиться под конкретную трассу или под конкретное покрытие. Так, на ровной и быстрой трассе используются жесткие пружины, для пересеченной местности необходимы мягкие пружины и большой ход подвески. Для неровной, но быстрой трассы, мягкие пружины уже не подходят, так как возможен пробой подвески, а в поворотах кузов будет недопустимо сильно крениться. Но слишком жесткие пружины не обеспечат требуемого стабильного сцепления с дорогой.

Жесткие пружины хорошо работают при больших скоростях, а мягкие, наоборот, при маленьких. Поэтому всегда нужно искать оптимум между устойчивостью на скорости и сцеплением при прохождении поворотов. Кроме того, каждой жесткости пружин соответствует оптимально энергопоглощение амортизаторами.

Жесткость передних и задних пружин зависит от распределения веса шасси между осями. Чем больше веса приходится на ту или иную ось, тем более жесткими должны быть пружины и амортизаторы.

Для усовершенствования некоторых характеристик подвесок легковых автомобилей в данной работе основным объектом является амортизатор т.к. в отличие от других делай и узлов подвески амортизатор имеет нелинейные характеристики и обладает переменными свойствами (жесткости) за счет механических воздействий.

Современные тенденции сводятся к тому, что, к примеру, пружины или рессоры лишь поддерживают вес автомобиля. Всю остальную работу берут на себя именно амортизаторы, как более точный инструмент.

Главная характеристика амортизатора, называемая скоростной , выражает зависимость усилия его сопротивления от скорости прямого хода штока (сжатия) и обратного (отбоя).

Главной задачей амортизаторов является удержание колеса в постоянном контакте с дорогой во избежание потери контроля над автомобилем. Для чего колесо должно как можно мягче и четче обогнуть препятствие и так же четко и быстро вернуться на дорогу, обеспечивая необходимое сцепление.

Дроссельный и клапанный режимы -- работа амортизатора, соответственно, с закрытыми и открытыми (открывающимися) клапанами. На дроссельном режиме скорость поршня мала, и жидкость перетекает через постоянно открытые дроссели. С увеличением скорости гидравлическое сопротивление растет, открываются клапаны, и жидкость течет еще и через них -- это клапанный режим. Момент открытия клапанов задают при проектировании амортизатора в зависимости от требуемой характеристики. Отклонения сил сопротивления амортизаторов от средних значений не должны превышать: на дроссельном режиме - при отбое ±30%, при сжатии ±50%; на клапанном режиме - соответственно ±15% и ±20% [101].

Демпфирование -- это подавление (гашение) упругими и гасительными элементами подвески колебаний вызванных неровностью дороги, т.е. способность подвески противостоять колебаниям колес после проезда через неровности.

Коэффициент демпфирования -- отношение дорожной нагрузки к нагрузке передаваемой к подрессоренной массе автомобиля.

Характеристика может быть регрессивной, прогрессивной, линейной или комбинированной (рис.1.6). Каждая придает разные свойства одному и тому же автомобилю. Но амортизаторы с однотипными характеристиками могут отличаться друг от друга величинами сил сопротивления, тоже влияющими на поведение машины.

Регрессивная наиболее распространена. С ней амортизатор хорошо гасит колебания и уменьшает интенсивность крена кузова при резких маневрах, но пропускает на него вибрации от разбитой дороги (от совокупностей мелких неровностей -- выбоин, швов, гребенки, булыжника на трамвайных путях -- высотой около 30 мм) [19]. Кроме того, если амортизатор рассчитан для магистрального автомобиля, переезд на нем единичных выступов (ступенек асфальта, образовавшихся при ремонте дороги) на высокой скорости может сопровождаться ощутимыми ударами.

Рис.1.1. Типы характеристик амортизаторов: 1- регрессивная; 2- прогрессивная; 3- линейная

Прогрессивную применяют реже. Ее основное преимущество -- повышение виброзащиты кузова. Однако, проезжая череду плавных волн, машина может раскачаться вплоть до пробоев подвески. При энергичной смене полосы движения не исключены повышенные крены и диагональная раскачка автомобиля.

Линейная по свойствам занимает промежуточное положение.
Комбинированная сочетает разные типы характеристик (например, прогрессивную и регрессивную) [18].

1.1.4 Активные подвески автомобиля с амортизаторами переменной жесткости

Вопросам анализа типов активных подвесок и системам их управления посвящены работы В.В.Черных, О.М.Макеева, А.Сорниотти (Италия), Б.Спенсера, У.Винслоу (США), К.Кавашима (Япония), В.Бербюк (Швеция) и др.

Основная проблема конструирования подвесок состоит в том, что требования к подвеске со стороны устойчивости, управляемости и комфортности оказываются противоречивыми. Так, с одной стороны, подвеска должна быть по возможности более мягкой, чтобы исключить отрыв колес от дорожного полотна при наезде на неровность, а также увеличить комфортность автомобиля для пассажиров и водителя, обеспечить сохранность перевозимых грузов. С другой стороны, подвеска должна быть по возможности более жесткой, чтобы увеличить устойчивость и управляемость автомобиля, именно - чтобы не возникали опасные крены на поворотах, не было клевков корпуса автомобиля при разгоне и торможении, разгружающих переднюю или заднюю оси автомобиля.

При описании подвески одного колеса учитывают (рис.1.2.) упругую шину, неподрессоренную массу m (колесо и части подвески), параллельно соединенные упругий (пружина) и демпфирующий (амортизатор) элементы, которые поддерживают корпус автомобиля - подрессоренную массу M (масса ј части корпуса автомобиля). Упругие элементы принимают на себя удары со стороны неровностей дорожного покрытия, преобразуя их в затухающие колебательные движения, а демпфер гасит эти колебания [88].

Рис. 1.2. Схема подвески одного колеса автомобиля: x(t) - вертикальная координата оси колеса, y(t) - вертикальная координата корпуса автомобиля в опорной системе координат, t - время

Свойства подвески определяются ее характеристиками, основные из которых описывают упругость пружины и вязкость амортизатора в зависимости от различных фаз их движения. В большинстве обычных автомобилей характеристики подвески выбираются в результате поиска компромисса между противоречивыми требованиями устойчивости, управляемости и комфортности. Характеристики подвески оптимизируют с точки зрения среднестатистических условий, в которых будет работать данный автомобиль. Рассчитывается усредненное значение массы автомобиля с учетом возможного веса его груза, оценивается и учитывается характер и качество дорожного покрытия тех дорог, для которых разрабатывается данный автомобиль, требования к динамическим свойствам данного автомобиля, зависящие от его назначения (спортивный автомобиль, пассажирский, грузовой, специальный и т.п.). Характеристики таких подвесок не меняются в процессе эксплуатации автомобиля, если не считать изменений, связанных с износом деталей подвески. Однако очевидно, что подвеска, оптимизированная по всему диапазону условий эксплуатации автомобиля, оказывается неоптимальной в каждой из конкретных текущих дорожных ситуаций, отличающихся от расчетной среднестатистической. Так, при движении автомобиля по сравнительно гладкой дороге оптимальной является более жесткая подвеска, при движении этого же автомобиля по неровной дороге хотелось бы, чтобы подвеска становилась более мягкой. При движении по прямому участку дороги можно иметь более мягкую подвеску, увеличивающую плавность хода, а при прохождении поворотов, при разгоне и торможении подвеска должна становиться более жесткой, чтобы обеспечить устойчивость автомобиля, не допускать большого крена, тем более - опрокидывания. Хотелось бы также изменять жесткость подвески при изменении веса груза. Имеются и много других факторов, от которых могут зависеть желаемые оптимальные в текущих условиях характеристики подвески (ускорение автомобиля, радиус поворота и т.п.). В работах [12],[13],[64] описаны попытки конструирования таких подвесок, которые позволяли бы управлять их характеристиками вручную или автоматически. Например, водителю предоставляется возможность настраивать подвеску перед выполнением конкретной поездки в соответствии с ее планируемыми свойствами. Так, в некоторых автомобилях можно изменять высоту клиренса (дорожного просвета) [55], или жесткость подвески, выбирая из двух-трех вариантов - спортивного (жесткая подвеска) или обычного (мягкая подвеска). Например, в некоторых подвесках, устанавливавшихся на автомобилях, упругость подвески регулировалась пневматическими амортизаторами: на каждом мосте устанавливается три пневматических резервуара, работающих в роли амортизатора. У водителя имеется кран, которым он может задействовать только два, либо все три резервуара. В первом случае подвеска становилась более жесткой, во втором - более мягкой, чем и обеспечивалось изменение свойств подвески. Водитель мог также изменить клиренс, например, в зависимости от скорости движения, качества дороги, а также при остановке автомобиля [12].

Такие конструкции широко применяются на грузовых автомобилях, однако применение их на легковых автомобилях не эффективно, т.к. диапазон изменения подрессоренной массы легкового автомобиля не так велик.

Иногда обеспечивается возможность изменения характеристик подвески вручную непосредственно в процессе движения автомобиля. Однако такие манипуляции могут отвлекать водителя от управления автомобилем и известны случаи, когда это увлекательное занятие приводило к авариям. Подвески, параметры которых могут изменяться с целью управления, стали называть «активными», однако это не строгий термин, и в каждом случае полезно уточнить, что именно имеется в виду.

Попытки построения подвесок, параметры которых изменялись бы автоматически в зависимости от некоторых текущих условий, привели к появлению различных идей, которые можно подразделить на три типа [12].

Первый тип представлен подвесками, у которых характеристики изменяются в результате некоторых законов механики, гидравлики или пневматики.

Специальное устройство пружинно-листовых амортизаторов делает подвеску тем более жесткой, чем больше вес автомобиля.

Другим примером является называемая «активно-реактивной» или «активно-пассивной» подвеска, где гидравлические диагональные связи между подвесками каждого из четырех колес, позволяют без использования процессоров, датчиков и приводных механизмов «информировать» каждое колесо о том, что происходит с другими, создавая определенное корректирующее смещение колес в разных ситуациях, например, во время поворотов или при наезде одного колеса на препятствие. Функциональное разнообразие действий таких подвесок не велико, при этом требуется установка дополнительного сложного технического и/или гидравлического оборудования, что утяжеляет машину, снижает ее надежность.

Второй тип можно отнести подвески, системы управления которых работают на основе электронных схем или контроллеров, реализующих значение параметров подвески по некоторому детерминированному закону. Такие системы требуют оснащения подвески определенными датчиками, и исполнительными устройствами. Контролер устанавливает фиксированное отображение показаний датчиков в заранее определенные команды исполнительным устройствам, реализующим указанные значения параметров подвески. Очевидно, что таким способом можно реализовать гораздо более сложные детерминированные законы управления, чем посредством механических и гидравлических устройств. Такого рода системы могут управлять подвеской гораздо более динамичнее, чем это может делать человек-водитель, и могут делать это более точно.

Основные проблемы этого типа систем связаны как с трудностями построения точной математической модели автомобильной подвески, так и с необходимостью создания специальных исполнительных устройств Поскольку автоматическая система может управлять не только выбором из двух-трех вариантов, но гораздо большим их числом, то возникает соблазн оснастить подвеску такими управляемыми элементами, которые допускали бы выбор между большим числом дискретных вариантов параметров или изменений их континуальных значений.

Примером таких управляемых механизмов, которые можно было бы использовать в качестве исполнительных устройств в подвеске, является амортизатор с переменной сопротивляемостью.

Изменяя диаметр пропускного отверстия клапана, можно в широком диапазоне изменять характеристику амортизатора. Быстродействие такого актуатора довольно высокое, оно ограничивается возможностями переключающего механического устройства клапана. Однако при работе клапанов, даже с регулируемыми отверстиями, наблюдается неустойчивое гашение колебаний.

Ещё одним пример амортизатора с переменной жесткостью может являться амортизатор переменной вязкости, в котором в качестве жидкости используется так называемая магнито-реологическая жидкость (MRF), которая представляет собой суспензию в масле очень мелкодисперсных металлических магнитных частиц - диполей [19].

Металлические диполи могут управляться внешним магнитным полем, создаваемым соленоидом, заставляющем их одновременно ориентироваться в заданном направлении, например, вдоль или поперек потока жидкости, или вращаться по определенной оси, что и приводит к изменению вязкости в заданном направлении. Высокое быстродействие системы и широкий диапазон рабочих режимов делают ее очень эффективной.

Опыты показывают, что оптимум электрореологического эффекта может быть достигнут только при оптимальном сочетании концентрации дисперсной фазы и напряженности приложенного электрического поля [32].

Динамическая вязкость, измеренная при периодическом деформировании, оказывается существенно выше сдвиговой эффективной вязкости, определенной в ротационных или капиллярных вискозиметрах [42].

Из этого можно сделать вывод, что амортизатор с MRF требует достаточно частого сервисного обслуживания и замены магнитной жидкости, которая в свою очередь является дорогостоящей процедурой. Но он имеет недостатки, заключающиеся в деструкции магнитной жидкости, укрупнении частиц суспезии за счет слипания друг с другом, а главное для условий Узбекистана, где наблюдается большие сезонные перепады температур (летом до +50⁰С, зимой до - 25⁰С) и повышенная запыленность такие амортизаторы не эффективны. При повышении атмосферной температуры жидкость внутри амортизатора становиться жиже, что делает его мягче. При понижении атмосферного давления - наоборот.

Запыленность также негативно влияет на свойства амортизатора с ферромагнитной жидкостью. Частицы пыли вокруг амортизатора образуют «альтернативные» магнитные поля. Создаваемые соленоидом магнитные поля могут накладываться друг на друга, что может стать причиной гашения или усиления магнитного поля вокруг амортизатора.

Микрочастицы попадая в ферромагнитную жидкость амортизатора также вызывают негативное влияние на работу системы в целом.

Помимо таких пассивных управляемых элементов подвески были разработаны также активные элементы, например, амортизатор, в который из внешнего резервуара под высоким давлением может впрыскиваться, или, наоборот, откачиваться масло. Такой амортизатор сам может активно воздействовать на автомобиль, надо лишь правильно управлять этими воздействиями.

При помощи гидравлики высокого давления, многочисленных датчиков и мощных микропроцессоров эта активная подвеска мгновенно подстраивает под рессоривание кузова под соответствующую дорожную ситуацию. Таким образом, амортизатор с переменной жесткостью такого типа на 68% уменьшает перемещения кузова при разгоне, движении в повороте и при торможении [14]. Повороты автомобилей с такой подвеской проходят со значительно меньшими кранами и обеспечивает при резких маневрах объезда более высокий уровень безопасности, чем автомобили с традиционными системами подвески. При тесте „змейка" динамический крен кузова в зависимости от ситуации снижается на 50% по сравнению со значениями с пассивной подвеской и демпфирующей системой [28].

Недостатком такой системы является повышенный расход топлива, требуемый для приведение в действие такой активной подвески.

Вторая проблема, с которой сталкиваются разработчики управляемых подвесок такого типа, состоит в следующем. Закон управления в зависимости от показаний датчиков, даже если он детерминированный, должен быть рассчитан заранее и зафиксирован в каком-либо виде в контроллере. Такой закон управления рассчитывается на основании анализа математической модели динамики объекта управления - движения корпуса и подвески автомобиля в тех или иных возможных условиях. Составляется математическая модель объекта управления и находится ее обратное решение, которое указывает, какие управляющие воздействия следует развить, чтобы в текущих условиях привести объект управления к заданному желаемому состоянию.

Математическая модель обычно представляет собой большую систему нелинейных дифференциальных уравнений, которые описывают движение как твердотельных элементов автомобиля, так и его осциллирующих элементов. Значения коэффициентов подбираются по результатам стендовых испытаний [35].

Проблема состоит в том, что разработать точную математическую модель автомобиля очень трудно. Попытки учесть чуть более сложные и реалистические элементы автомобиля делают его математическую модель чрезмерно сложной и не поддающиеся расчетам. Ситуацию усложняет то обстоятельство, что свойства реального автомобиля постоянно изменяются даже в течение одной поездки - изменяется его масса в результате изменения числа пассажиров или массы груза, изменяется температурный режим, свойства конструктивных элементов, свойства дороги, режим движения. Поэтому всякая зафиксированная математическая модель в целом оказывается неверной, а качество управления, следовательно, ограничено.

В этом типе существуют и адаптивные системы управления, которые строятся на эмпирическом уточнении значений параметров, при условии, что заранее известен набор характеристик, влияющих на целевую характеристику, и общий вид зависимости между характеристиками, т.е. решается задача идентификации модели.

К третьему типу можно отнести активные подвески, управляющие системы которых строятся не на основе математических моделей, а на основе подходов, характерных для задач анализа «черного ящика», или задач управления «по прецедентам». Это системы нового поколения, основанные на идеях самообучения, автоматической работы со знаниями, с автоматическими распознающими системами, использующие нечеткую логику, нейросети, гибридные системы и т.п. подходы. Работы над такими активными подвесками ведутся в настоящее время в ряде автомобильных компаний, но особенности технологии, реализованные в анонсируемых образцах, как правило, не освещаются. Из общих соображений можно предполагать, что все такого рода системы управления активными подвесками, даже если они эвристические, можно отнести к одному из направлений, известных сегодня в области управляющих систем: это экспертные системы, системы нечеткой логики, нейросети, системы с подкрепляющим обучением.

Достоинством такого рода управляющих систем является то, что они основаны не на математических моделях объектов управления. Закон управления в них получается либо в результате автоматического обучения по прецедентам, либо в результате перенесения в управляющую систему формализованных знаний человека-эксперта. Каждый из названных здесь методов управления имеет свои ограничения, особенности и недостатки, а также способы сглаживания этих недостатков.

Экспертные системы позволяют зафиксировать знания человека-эксперта, который хорошо принимает решения в некоторой области, и затем тиражировать эти способности. Нечеткие системы являются разновидностью экспертных систем и удобны для построения управляющих систем. Однако в своих канонических вариантах эти системы не предполагают автоматического доучивания или переучивания, т.е. автоматической адаптации, их правила принятия решений задаются вручную при конструировании таких систем. Очевидно, что в области управления подвеской не существует экспертов, умеющих быстро и правильно менять параметры подвески, к тому же здесь требуется постоянное переучивание системы управления. Нейронные сети в своем каноническом виде предназначены для распознавания образов, которым они предварительно были обучены по обучающей выборке. Переобучение нейросети в процессе работы (что собственно и обеспечивает адаптивное управление) вызывает уже серьезные проблемы. К тому же и предварительное обучение связано с трудностью подготовки обучающей выборки прецедентов, трудоемкостью обучения нейросети, проблемами сходимости. Системы с подкрепляющим обучением - одно из наиболее перспективных направлений, также имеют свои органические трудности. В каждой из названных областей проводятся исследования, направленные на поиск путей обхода соответствующих проблем [15].

1.1.5 Методы улучшения характеристик и эксплуатационных свойств амортизаторов

Саморегулируемый газовый амортизатор. Принцип работы основывается на применении атмосферостойкой гидравлической и нагнетаемого азотного газа [83].

Однотрубный газонаполненный амортизатор, характеристика которого изменяются в зависимости от относительного перемещения штока в цилиндре.

При движении автомобиля с обычной нагрузкой по прямой ровной дороге с постоянной скоростью элементы автомобильной подвески (шток амортизатора) совершают небольшие вертикальные перемещения. Любые изменения в дорожных условиях, например, резкий поворот или выбоина, как правило, эти перемещения увеличивают. В первом случае сопротивление для гашения колебаний требуется небольшое. Во втором -- безопасность движения будет зависеть от мгновенного, адекватного амплитуде перемещений штока амортизатора увеличения жесткости его работы. Именно своевременно возросшее сопротивление предотвратит потерю контакта между колесом и дорогой.

В корпусе амортизатора имеется вертикальный канал, через который масло может перетекать между верхней и нижней частями корпуса, минуя клапаны, расположенные в поршне.

В центральной зоне амортизатора, названной разработчиками “зоной комфорта”, где перемещения штока небольшие, глубина канала равномерна и равна 0,4мм. Проходя через него, масло встречает постоянное, но относительно небольшое сопротивление. Когда же, колесо наезжает на препятствие и, следовательно, поршень выходит из “зоны комфорта”, он попадает в “зону контроля” (верхнюю или нижнюю), где канал, сужаясь, плавно сходит на нет и перекрывается поршнем. Масло продавливается через клапаны в поршне, и амортизация становится более жесткой. Наличие канала на внутренней стенке амортизатора заставило изменить только параметры клапанов поршня, во всем остальном амортизатор работает так же, как и обычный газонаполненный амортизатор в однотрубном или двухтрубном исполнении. В двухтрубном амортизаторе с газом низкого давления длина желоба составляет от 27 до 59 мм в зависимости от модели автомобиля [97].

...