Совершенствование мехатронной системы управления активной подвеской легкового автомобиля

Однако данный амортизатор имеет несколько недостатков. Во-первых, амортизатор резко теряет эффективность при закупоривании каналов желоба. Во-вторых, так как амортизатор гидропневматические не исключены возможности «вспенивания» что приводит к изменению давления в амортизаторе. В третьих конструкция амортизатора не предусматривает управления, значит система является пассивной. Пассивные амортизаторы при тяжелых условиях (давление в амортизаторе может достигать 2 атм.) плохо реагируют на резкие изменения рельефа дороги.

Бесступенчато перестраиваемый прямо на ходу амортизатор CDC (Continuous Damping Control). Микропроцессор получает информацию от датчиков, решает систему уравнений за несколько миллисекунд и выдает команду упрятанному прямо в трубе амортизатора пропорциональному дросселирующему клапану (для легковых автомобилей). Автомобиль можно оборудовать системой, которая работает от трех датчиков-акселерометров и реагирует лишь на ускорение машины в целом, или системой которая занимается каждым амортизатором в отдельности. В этом случае дополнительно измеряется вертикальное ускорение каждого из колес, а общее количество датчиков увеличивается до шести. Быстродействие настолько высоко, что параметры демпфирования подстраиваются в течение каждого хода штока амортизатора вверх и вниз.

Данные системы имеют следующие недостатки - из-за большого количества датчиков и зависимости каждого из них между собой подвеска существенно теряет в надежности и количество отказов подвесок с вышеуказанными параметрами становится больше. Кроме того, при больших амплитудах колебаний подвески либо крупных единичных неровностях амортизатор теряет своё гасящее и упругое свойство, а именно, при резком движении штока масло через каналы на внутренней стенке амортизатора достаточно не равномерно, тем более что на определённом этапе амортизатор переходит в клапанный режим работы. Амортизатор и подвеска в целом получает ощутимые гидроудары влияющие на плавность хода.

1.2 Современные мехатронные системы управления активной подвеской легкового автомобиля

1.2.1 Принципы построения современных мехатронных систем

Понятие мехатроника в едином словосочетании означает интеграцию знаний в соответствующих областях науки и техники, которая позволила совершить качественный скачок в создании техники новых поколений и производстве новейших видов систем и оборудования.

Аналогичным образом шло развитие электромеханики как науки, использующей достижения электротехники и механики при создании приводных исполнительных систем широкого назначения. Интеграция электромеханики и микроэлектроники привела к появлению комплектных интегрированных мехатронных модулей движения рабочих органов и узлов машин а также создаваемого на их основе оборудования.

Мехатроника - это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным упpавлением движением, котоpая базиpуется на знаниях в области механики, электpоники и микpопpоцессоpной техники, инфоpматики и компьютеpного упpавления движением машин и агpегатов".

В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем (МС), в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Наверное поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис.1.3), помещенные во внешнюю оболочку "Производство"- "Менеджмент"-"Требования рынка" [ 6 ].

Рис.1.3. Определение мехатронных систем

Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы.

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

Азовымих объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движения, как правило, по одной управляемой координате. Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компонуются сложные системы модульной архитектуры.

Мехатронные системы предназначены, как следует из определения, для реализации заданного движения. Критерии качества выполнения движения МС являются проблемно-ориентированными, т.е. определяются постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задач автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещения выходного звена-рабочего органа технологической машины (например, инструмента для механообработки). При этом необходимо координировать управление пространственным перемещением МС с управлением различными внешними процессами. Примерами таких процессов могут служить регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работ при механообработке, контроль и диагностика текущего состояния критических элементов МС (инструмента, силового преобразователя), управление дополнительными технологическими воздействиями (тепловыми, электрическими, электрохимическими) на объект работ при комбинированных методах обработки, управление вспомогательным оборудованием комплекса (конвейерами, загрузочными устройствами и т.п.), выдача и прием сигналов от устройств электроавтоматических (клапанов, реле, переключателей). В современных МС для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений применяются методы интеллектуального управления (advanced intelligent control). Данная группа методов опирается на новые идеи в теории управления, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемых движений МС.

Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения, которая представлена на рис.2. В основу построения данной схемы положена широко известная структура автоматических роботов, введенная академиком Е.П.Поповым [4].

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Внешние среды укрупненно можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью точности. Некоторые среды являются недерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред как правило могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных.

Однако для организации и проведения подобных исследований зачастую требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного удаления облоя с литых изделий необходимо измерять фактические форму и размеры каждой заготовки. В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения МС непосредственно входе выполнения операции.

В состав МС традиционной машины входят следующие основные 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 блоков машины и движении МС.

Таким образом, наличие трех обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, является первичным признаком, отличающим мехатронные системы.

Электромеханическая часть включает механические звенья и передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое устройство предназначено для преобразования движений звеньев в требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. Сенсоры предназначены для сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов работ, механического устройства и блока приводов с последующей первичной обработкой и передачей этой информации в устройство компьютерного управления (УКУ). В состав УКУ мехатронной системы обычно входят компьютер верхнего уровня и контроллеры управления движением.

Устройство компьютерного управления выполняет следующие основные функции:

I. Управление процессом механического движения мехатронного модуля или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации.

II. Организация управления функциональными движениями МС, которая предполагает координацию управления механическим движением МС и сопутствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства .

III. Взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах автономного программирования (off-line) и непосредственно в процессе движения МС ( режим on-line).

IV. Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи. Характерно, что электрическая энергия (реже гидравлическая или пневматическая) используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма.

Рис. 1.4. Обобщенная схема машины с компьютерным управлением движением

Применение мехатронного подхода при создании машин с компьютерным управлением определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными средствами автоматизации:

относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления ;

высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах),

улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

возможность комплексирования функциональных модулей в сложные системы и комплексы;

1.2.2 Описание современных мехатронных систем автомобиля

АБС - ABS (Anti-Blockier-System) система, основной задачей которой является предотвращение блокировки затормаживаемых колес автомобиля, сохранение его курсовой устойчивости и управляемости. Сегодня необходимость ее применения на современных легковых автомобилях признана подавляющим большинством автопроизводителей. Наличие АБС на автомобиле избавляет его водителя от необходимости постоянно контролировать тормозное усилие на педали во избежание блокировки, а следовательно и снижения эффективности торможения колес автомобиля. Эту задачу берет на себя электронный блок АБС, который анализирует сигналы, поступающие от датчиков скорости вращения колес, и через гидромодулятор воздействует на рабочие тормозные механизмы автомобиля

Водители-асы, чтобы не потерять управляемость автомобиля, применяют в экстренных ситуациях прерывистое или ступенчатое торможение. Но не каждый «средний» водитель может в условиях стресса отказаться от естественного рефлекса нажать педаль тормоза «в пол» и вместо этого заставить ногу мелко дрожать и поэтому эту задачу возлагают на электронику.

Типичная АБС состоит из электронасоса, аккумулятора давления, электронного блока управления, датчиков контроля вращения колес и блока электромагнитных клапанов. Как только какое-нибудь колесо начинает проскальзывать, система сбрасывает давление в тормозной системе, колесо на какой-то момент разблокируется, скольжение прекращается, и все начинается сначала -- давление в системе начинает расти до тех пор, пока снова колесо не окажется заблокированным. АБС позволяет превратить непрерывное тормозное усилие, прикладываемое водителем к педали, в серию тормозных импульсов на колесах и тем самым избежать их блокирования. Это не только сокращает тормозной путь на однородном дорожном покрытии, но и дает возможность сохранить управляемость.

Программы блоков управления серийных АБС рассчитываются под некие усредненные параметры и должны обеспечивать приемлемое замедление при работе со всеми шинами, которыми может оснащаться данный автомобиль на конвейере. Но если оптимизировать алгоритм работы блока АБС под сцепные свойства конкретной модели покрышек, то это может дать выигрыш в тормозной динамике.

Недостатки АБС:

1) на дороге с неоднородным покрытием (например, под одним из колес лед) она может внезапно ослабить торможение, пытаясь не допустить пробуксовки.

2) АБС отключается при снижении скорости до 5-10 км/ч и водитель, не ожидающий этого может в последний момент попасть в ДТП.

3) АБС не позволит на переднеприводной машине войти в поворот с заносом задней оси приемом «газ-тормоз», что огорчит любителей активного стиля вождения.

4) при торможении на снегу заблокированные колеса сгребают снег перед собой и автомобиль останавливается быстрее, чем с АБС.

Система FSD (Frequency Selective Damping -- частотно зависимое демпфирование) от голландского производителя Koni. Основная идея FSD заключалась в том, что в штоке стоит клапан, через который масло проходит, минуя основной клапан в поршне, и в зависимости от частоты колебания подвески клапан FSD открывается больше, делая амортизатор мягче. То есть если подвеска совершает меньше одного колебания в секунду (к этому относятся торможение, разгон и крен при прохождении поворота), клапан остается в первоначальном положении, но как только подвеска начинает вибрировать с большей частотой, клапан начинает открываться при каждом прохождении поршня на сжатие и отбой. Таким образом, при низкочастотных колебаниях подвески (на «хорошей дороге») амортизатор работает как обычно, а при высокочастотных колебаниях на плохой дороге усилие отбоя падает, одновременно увеличивая комфорт и улучшая сцепление колеса с покрытием.

1. Система CDC (Continuous Damping Control -- непрерывный контроль демпфирования. Электронная система управления демпфированием, основу которой составляют четыре двухтрубных амортизатора с газовым подпором и регулируемыми электромагнитными клапанами, установленными сбоку в нижней части амортизатора и внутри самого поршня, непрерывно и точно управляет характеристиками амортизаторов с учетом состояния дорожного покрытия, индивидуального стиля вождения, скорости, вертикального ускорения каждого колеса, угла поворота руля. На основании сигналов от датчиков ускорения управляющий модуль системы CDC в режиме реального времени при помощи специальной матрицы параметров рассчитывает оптимальные характеристики амортизаторов для каждого отдельного колеса. В результате значительно уменьшаются клевки при торможении и крены при прохождении поворотов или неровностей. Компромиссом между комфортом и безопасностью (управляемостью) автомобиля может являться конструкция амортизатора с возможностью регулирования его сопротивления. Представляет интерес электронная система управления характеристиками амортизаторов фирмы Opel с учетом состояния дорожного покрытия, индивидуального стиля вождения, скорости, вертикального ускорения каждого колеса, угла поворота руля, основу которой составляют четыре двухтрубных амортизатора с газовым подпором и регулируемыми электромагнитными клапанами, установленными сбоку в нижней части амортизатора. На основании сигналов от датчиков ускорения управляющий модуль системы в режиме реального времени при помощи специальной матрицы параметров рассчитывает оптимальные характеристики амортизаторов для каждого отдельного колеса. В результате значительно уменьшаются клевки при торможении и крены при прохождении поворотов или неровностей.

2. Мехатронные системы состоят из трех обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками. Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение с управлением на основе принципа обратной связи.

3. В результате внедрения мехатронных систем управления двигателем, ABS , VDC и активной подвеской реально достигается следующее:

повышается безопасность водителя и движения автомобиля;

осуществляется поддержка водителя при управлении автомобилем в критических ситуациях;

сохраняется заданная водителем траектория движения автомобиля во всех режимах: полное торможение, частичное торможение, движение накатом, ускорение, торможение двигателем;

поддерживается стабильность движения автомобиля во время критического управления (испуг, паническая реакция).

1.3 Цель и задачи исследования

- Составление мехатронной схемы автоматического управления амортизатором;

- Выбор конструкции перепускного клапана регулируемого амортизатора

- Исследование истечения жидкости через отверстия мембраны перепускного клапана регулируемого амортизатора

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

2.1 Разработка мехатронной схемы управления подвеской автомобиля

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. Связь с центральным устройством управления и другими модулями организуется через стандартную шину, соединение производится подготовительным кабелем с присоединённым фланцем.

Шаговый электродвигатель устанавливается на истоках всех четырёх амортизаторах автомобиля.

Задачей блока компьютерного управления движением, является информационное преобразование (обработка цифровых сигналов лазерных датчиков, цифровое регулирование, расчёт управляющих воздействий, обмен данными и периферийными устройствами).

Цифровой аналоговый преобразователь реализует функцию информационно-электрического преобразования.

Шаговый электродвигатель выполняет электромеханическое преобразование сигналов в заданный поворот штока клапанов регулирования

1 234

865

7

Рис.2.1 Мехатронная схема автоматического управления амортизатором: 1-блок компьютерного управления; 2-цифро-аналоговый преобразователь; 3- шаговый электродвигатель; 4-шток перепускного клапана.

Датчики, фиксирующие состоя состояние. Дороги и подвеской бывают различных видов. Ультразвуковые и радарные датчики имеют хорошие характеристики для использования системах управления активной подвеской, однако работа ультразвуковых датчиков сильно зависит от погодных условий и степени их загрязненности а радарные - слишком дороги. Хорошие перспективы имеют лидары. Наиболее приемлемыми для использования в системах управления активной подвеской являются датчики ускорения, которые предназначены для измерения ускорений в диапазонах 0…±250g (g=9.8 м/с), имеют малые габариты и низкую стоимость. Датчики ускорения отслеживают вертикальные перемещения, рыскание и поперечное ускорение кузова, а также вертикальные перемещения и угол поворота управляемых колес. Основными источниками, которые определяют вибрации автомобиля, являются ДВС, трансмиссия, колеса и шины, неровности дорожной поверхности. При этом по отношению к машине первые три источника являются внутренними, а последний -внешним. Возмущающее воздействие от внутренних источников обусловлен следующим: взаимодействием контактирующих тел в кинематических пара (удары), неуравновешенностью и отклонением от соосности вращающихс деталей; непостоянством частоты вращения и крутящего момента I элементов агрегатов (валах, зубчатых колесах); трением качения скольжения. Силовой агрегат, трансмиссия и колеса относятся вибрационным системам в основном с периодически характером возмущения. Диапазон частот при вибрации силового агрегата более широкий, чем трансмиссии, и существенным образом зависит от типа двигателя.

Случайные колебания узлов и агрегатов автомобиля связаны с кинематическим воздействием от дорожной поверхности. В области частот (0...25 Гц, где в наибольшей степени проявляется случайная вибрация вертикальные колебания происходят главным образом с собственным частотами колебаний подрессоренных (1...3 Гц) и неподрессоренных (6...19 Гц) масс. Вибрация кабины и кузова с такими частотами может вызвать инфразвуковые колебания внутри машины со звуковым давление высокого уровня. Полупроводниковые датчики ускорения фирмы Freescale Semiconductor, предназначены для измерения ускорений в диапазонах 0…±250g (g=9.8 м/с) по одной, двум или трем осям. Основой датчиков является емкостной чувствительный элемент, представляющий собой микромеханическую систему, сформированную на поверхности кремниевой подложки. Он состоит из центральной пластины, закрепленной при помощи упругих элементов, и трех неподвижных пластин (две основные и одна - для реализации функции самотестирования). В совокупности образуется дифференциальная емкость. Центральная пластина обладает сейсмомассой и может смещаться под действием ускорения, меняя тем самым свое положение относительно неподвижных пластин. Это приводит к изменению емкости микроконденсатора. Интегрированная на том же кристалле измерительная схема (интегратор, усилитель, ФНЧ, устройство температурной компенсации и тактовый генератор) фиксирует это и формирует выходное напряжение, линейно зависящее от действующего ускорения. Когда ускорения нет (подвижная пластина в среднем положении) уровень выходного напряжения равен половине напряжения питания. Функция самотестирования активируется при подаче уровня логической единицы на соответствующий вход. Датчики имеют стандартный пропорциональный аналоговый выход по напряжению, что очень удобно для подключения к АЦП микроконтроллера. Резонансная частота чувствительного элемента много выше частоты среза встроенного ФНЧ, поэтому она никак не влияет на рабочую характеристику датчика. Пропорциональный выход (т.е. выходное смещение при нулевом ускорении и соответственно чувствительность линейно изменяются в зависимости от напряжения источника питания) - одно из достоинств этих датчиков. Датчики выпускаются в SOIC и QFN корпусах повышенной прочности и герметичности и выдерживают ударные воздействия с ускорением 500g при включенном питании и 2000g без питания.Они могут быть использованы и как измерители и датчики других физических величин. Это скорость, сила ударов и вибраций, точное смещение, угол наклона и т.д.

На основании расчётов подобран шаговый электродвигатель марки Ms Drive Plus 23 для привода штока перепускного клапана регулируемого амортизатора. Таким образом, основным элементом мехатронной системы управления подвеской автомобиля, подлежащим усовершенствованию в данной работе, стал мембранный узел перепускного клапана регулируемого амортизатора.

2.2 Выбор конструкции перепускного клапана регулируемого амортизатора

2.2.1 Изучение и анализ конструкций регулируемых амортизаторов

В большинстве автомобилей характеристики подвески выбираются в результате поиска компромисса между противоречивыми требованиями устойчивости, управляемости, надежности и комфортности. Ситуация усугубляется тем, что изменением характеристик подвески мы достигаем комфорта в движении лишь при определенных условиях. Так, делая подвеску жестче, мы добиваемся не только хорошей управляемости на высоких скоростях и гладком асфальте, но и излишней тряскости при езде по дорогам с плохим покрытием. Мягкая подвеска, наоборот проглатывает неровности на дороге, но ухудшает управляемость и устойчивость автомобиля на высоких скоростях.

Желательно иметь возможность автоматического регулирования сопротивления амортизаторов и даже высоты дорожного просвета. Подобная подвеска существенно дороже обычной, так как оснащена электронным управлением и дорогими узлами. Однако спрос рождает предложение, и производители автомобилей разрабатывают все более совершенные системы.

Известен регулируемый амортизатор[8] производителя транспортного средства, содержащий резервуар, гидроцилиндр, поршень, шток, клапан сжатия, клапан отбоя, перепускной клапан, клапан регулирования усилия амортизатора. Клапан регулирования содержит герметично соединенный с гидроцилиндром корпус, выходной канал которого сообщается с отверстием в гидроцилиндре и перекрывается запорным элементом, взаимодействующим с мембраной. Мембрана закреплена на резервуаре, снабженной мембранной камерой, которая выполнена с возможностью оказания на мембрану внешнего управляющего воздействия.

Рис. 2.3 Регулируемый амортизатор [8].

Недостатком данного предложения является регулирование амортизатора либо по усилию сжатия, либо по усилию отбоя. Этого недостатка лишена конструкция амортизатора фирмы “KONI” с клапаном, установленном в штоке через который масло проходит, минуя основной клапан в поршне, и в зависимости от частоты колебания подвески клапан открывается больше, делая амортизатор мягче. То есть если подвеска совершает меньше одного колебания в секунду (к этому относятся торможение, разгон и крен при прохождении поворота), клапан остается в первоначальном положении, но как только подвеска начинает вибрировать с большей частотой, клапан начинает открываться при каждом прохождении поршня на сжатие и отбой.

Система CDC (Continuous Damping Control -- непрерывный контроль демпфирования), которую активно применяет фирма Opel на своих последних версиях автомобиля Astra. В амортизаторе установлены регулируемые электромагнитные клапаны сбоку в нижней части амортизатора и внутри самого поршня. Однако установка клапана в штоке или в самом поршне значительно усложняет конструкцию амортизатора, поэтому нами принят вариант с регулируемым клапаном собственной конструкции сбоку в нижней части амортизатора.

2.2.2 Составление конструктивной схемы перепускного клапана регулируемого амортизатора

Регулируемый амортизатор собственной конструкции содержит сбоку в нижней части амортизатора мембранную камеру (рис.2.4) . Он содержит гидроцилиндр 1, поршень 4, шток 2, клапан сжатия 3, клапан отбоя 5 и дополнительный клапан 11. Клапан 11 установлен в корпусе 9, герметично соединенным с гидроцилиндром 1 амортизатора и имеющим два выходных канала 10 и 12.Клапан 11 содержит неподвижную и подвижную мембрану, в которых имеются отверстия. Посредством поворота подвижной мембраны, соединенной со штоком 8, в ту или иную сторону устанавливается одно из нескольких значений проходного сечения дополнительного клапана. Варьированием пропускной способности дополнительного клапана 11 обеспечивается изменение характеристики сопротивления амортизатора в соответствии с заданной программой .

Регулируемый амортизатор работает следующим образом:

При наезде автомобиля на неровности дороги возникают толчки, передающиеся на кузов и вызывающие его вертикальную раскачку. При этом шток 2 с поршнем 4 перемещается в гидроцилиндре 1 и происходит демпфирование и гашение колебаний кузова в зависимости от усилий сопротивления перемещению штока с поршнем. Величина усилий сопротивления перемещению штока с поршнем (усилия сжатия или усилия отбоя) зависит от гидравлического сопротивления перетеканию жидкости 6 через клапаны. При задвижении поршня 4 (ход сжатия) жидкость 6 из поршневого пространства гидроцилиндра 1 частично перетекает через клапан сжатия 3 в надпоршневое пространство. Кроме того жидкость перетекает в гидроцилиндр 1 через выходной канал 12. При внешнем управляющем воздействии на подвижную мембрану клапана регулирования путем поворота штока 8 отверстия в мембранах открываются и уменьшается сопротивление перетеканию жидкости 6 через канал 10 и при этом снижается усилие сжатия амортизатора. При ходе отбоя (выдвижении штока 2) жидкость 6 перетекает через клапан отбоя 5 и канал 10 из надпоршневого пространства в подпоршневое, создавая при этом усилие сопротивления отбоя, которое также регулируется поворотом штока 8. Изменяя площадь пропускных отверстий клапана, можно в широком диапазоне изменять характеристику амортизатора. Поскольку не составляет большого труда сделать клапан с управляемой площадью пропускных отверстий, то такой амортизатор является удобным исполнительным устройством.

Быстродействие такого амортизатора довольно высокое, оно ограничивается возможностями переключающего механического устройства клапана. Однако при работе клапанов, даже с регулируемыми отверстиями, наблюдается неустойчивое гашение колебаний.

Рис.2.4. Конструкция перепускного клапана для регулируемого амортизатора с дополнительной мембранной камерой .

2.3 Исследование истечения жидкости через отверстия мембраны перепускного клапана регулируемого амортизатора

Основной задачей исследования является определение расхода жидкости и эффективности гашения гидравлического удара во время открытия перепускного клапана мембранного типа, использованного в регулируемом амортизаторе.

Во время экспериментальных исследований при выборе материала мембраны оценивали предел выносливости, модуль упругости и коррозионную стойкость материала, при этом были использованы гидравлические жидкости, согласно выданным на них сертификатам.

Отверстия (поры) мембраны располагают на равных расстояниях друг от друга вдоль окружности мембраны (рис.2.5), исходя из ее прочности для выдерживания давления во время гидравлического удара (20 МПа), при условии сохранения суммарной площади отверстий для их различных диаметров и минимального диаметра d?0,100 мм из-за частиц износа.

Рис. 2.5.. Мембрана с отверстиями

Результаты экспериментального исследования расхода жидкости через отверстия мембраны (рис.2.6.) показали, что расход жидкости имеет оптиум при количестве отверстий равном 37, при этом расход жидкости повышается с увеличением толщины мембраны.

Рис.2.6. Зависимости расхода жидкости через мембраны от количества и диаметра отверстий: 1-толщина мембраны 1,0мм; 2-толщина мембраны 1,5 мм;3-толщина мембраны 2,0 мм

Результаты экспериментального исследования гидравлического удара в зависимости от параметров мембраны показали, что с уменьшением диаметра отверстий от 1,546 до 0,315 мм и толщины мембраны от 1,0 до 2.0 мм эффективность гашения давления повышается на 2,2-2,7%.

Анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований предлагаемой конструкции позволил определить следующие параметры мембраны: наружный диаметр 20мм, диаметр отверстий 0,672 мм, количество отверстий 37.

Испытания перепускного клапана мембранного типа проводились на лабораторных стендах.

Во время экспериментальных исследований при выборе материала мембраны оценивали следующее свойства:

- Механические и физические свойства,

- Предел выносливости материала,

- Модуль упругости материала,

- Предел выносливости материала при испытании на изгиб с симметричным циклом ногружения,

- Коррозионная стойкость материала.

Во время эксперимента в лаборатории использованы гидравлические жидкости, согласно выданным на них сертификатам.

Таблица 2.1. Механические и физические свойства материалов

Механические и физические свойства	Наименования материалов
	Сталь	Медь	Металло-керамика	Бронза
Параметры R, д (мм)	20 мм, 1 мм
Предел выносливости Р, (МПа)	180-600	40-100	10-12	140
Модуль упругости Р,(МПа)	200-600		10-15	180-450
Предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, Р (МПа)	400-800		12-16	350-750
Коррозионная стойкость (скорость коррозии мм/год)	0,025	0,010	0,100	0,020

Таблица 2.2.Механические и физические свойства сталей

Механические и физические свойства	Виды материалов
	Сталь 1	Сталь 5	Сталь 10	Сталь 45
Параметры R, д (мм)	20 мм, 1 мм
Предел выносливости Р, (МПа)	180-600	187-620	19-650	230-780
Модуль упругости Р,(МПа)	200-600	200-630	230-660	270-800
Предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, Р (МПа)	400-800	420-850	450-1000	500-1300
Коррозионная стойкость (скорость коррозии мм/год)	0,0106	0,0192	0,0216	0,0295

Таблица 2.3.Результаты экспериментального исследования расхода жидкости через отверстия мембраны

Число отверстия (шт.)	Диаметр мембраны (D, мм)	Диаметр отверстий (d,мм)	Толщина мембраны (д,мм)	Расход рабочей жидкости
7	20	1,546	1.0	9.81
			1.5	9.88
			2.0	9.94
19	20	0.938	1.0	9.83
			1.5	9.90
			2.0	9.96
37	20	0.672	1.0	9.82
			1.5	9.92
			2.0	9.96
61	20	0.522	1.0	9.80
			1.5	9.91
			2.0	9.95
91	20	0.428	1.0	9.67
			1.5	9.72
			2.0	9.76
127	20	0.364	1.0	9.59
			1.5	9.63
			2.0	9.66
169	20	0.3151	1.0	9.24
			1.5	9.38
			2.0	9.42

Таблица 2.4. Результаты экспериментального исследования давления во время гидроудара в зависимости от параметров мембраны

Число отверстия (шт.)	Диаметр мембраны (D, мм)	Диаметр отверстий (d,мм)	Толщина мембраны (д,мм)	Давление во время гидроудара, МПа
7	20	1,546	1.0	1,3541
			1.5	1,3562
			2.0	1,3576
19	20	0.938	1.0	1,3370
			1.5	1,3386
			2.0	1,3609
37	20	0.672	1.0	1,3221
			1.5	1,3237
			2.0	1,3559
61	20	0.522	1.0	1,3185
			1.5	1,3202
			2.0	1,3211
91	20	0.428	1.0	1,3218
			1.5	1,3239
			2.0	1,3258
127	20	0.364	1.0	1,3268
			1.5	1,3279
			2.0	1,3298
169	20	0.3151	1.0	1,3308
			1.5	1,3316
			2.0	1,3323

Таблица 2.5. Результаты экспериментального исследование перепада давления в зависимости от параметров мембраны

Число отверстия (шт.)	Диаметр мембраны (D, мм)	Диаметр отверстий (d,мм)	Толщина мембраны (д,мм)	Перепад давления в внутри отверстий, кПа
7	20	1,546	1.0	3065,625
			1.5	3087,500
			2.0	3106,250
19	20	0.938	1.0	3071,83
			1.5	3093,75
			2.0	3112,47
37	20	0.672	1.0	3068,73
			1.5	3099,96
			2.0	3112,47
61	20	0.522	1.0	3062,47
			1.5	3096,85
			2.0	3109,36
91	20	0.428	1.0	3022,87
			1.5	3037,50
			2.0	3049,96
127	20	0.364	1.0	2996,86
			1.5	3009,37
			2.0	3018,47
169	20	0.3151	1.0	2887,47
			1.5	2931,21
			2.0	2943,75

Выводы по главе 2

Разработана мехатронная система управления сопротивлением гидравлического амортизатора;

Разработана конструкция перепускного клапана гидравлического амортизатора с изменяемой характеристикой сопротивления;

Оптимизированы гидравлические характеристики мембранного узла управляемого гидравлического амортизатора.

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

В результате внедрения мехатронной системы управления активной подвеской, включающей амортизатор с возможностью регулирования его сопротивления реально достигается следующее:

• повышается комфортность и безопасность водителя и движения автомобиля;

осуществляется поддержка водителя при управлении автомобилем в критических ситуациях;

сохраняется заданная водителем траектория движения автомобиля во всех режимах: полное торможение, частичное торможение, движение накатом, ускорение, торможение двигателем;

поддерживается стабильность движения автомобиля во время критического управления

Ожидаемый годовой экономический эффект рассчитывается за счет повышения цены автомобиля с повышенной комфортностью по формуле:

Э = [З₁ * (D * H + 1 - H) -З₂] * A_2,

где З₁ и З₂ - приведённые затраты на изготовление мехатронной системы автомобиля соответственно базовой и новой комфортности, сум (З₁ = 1 млн. сум, а З₂ = 1,7 млн. сум); D - коэффициент повышения комфортности, определяется как отношение комфортности нового автомобиля к комфортности автомобиля базовой комплектации, но не выше норматива; Н - удельный вес нового автомобиля в общем выпуске автомобилей данной группы, при эксплуатации которых может быть реализована достигнутая комфортность (0,6 - 0,8); А₂ - ожидаемый годовой выпуск автомобилей, тыс. штук.

Величина нормативов коэффициентов D и Н зависит от технического уровня конечной продукции, а также от структуры потребления в различных видах конечной продукции. Нормативные величины коэффициентов D и Н установлены в сборниках нормативно - справочных материалов. ( табл.3.1.). Мероприятия повысили комфортность в 1,2 раза.

Таблица 3.1. Исходные данные для расчета экономического эффекта

Показатель	Автомобиль	Показатель	Автомобиль
	старый	новый		старый	новый
Годовой выпуск, тыс.шт. Удельный вес в общем выпуске (потребности данной машины, при эксплуатации которых может быть достигнута комфортность	8,0 -	8,0 0,2	Коэффициент повышения комфортности, принятый для расчёта Приведённые затраты при производстве мехатронной системы, млн. сум	- 1	1,2 1,3

Исходя из данных приведённых выше ожидаемый годовой экономический эффект от повышения комфортности составил:

Э_г = [1 * (1,2 * 0,7 + 1 - 0,2) - 1,3] * 8000 = 272 млн. сумм:

Заключение

1. Компромиссом между комфортом и безопасностью (управляемостью) автомобиля может являться конструкция амортизатора с возможностью регулирования его сопротивления. Регулирование может осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки на ось автомобиля, от скорости его движения, от дорожных условий, от температуры окружающего воздуха и самого амортизатора или от всех условий вместе. В таком случае автомобиль оснащают соответствующими датчиками и блоком управления, подающим команды на исполнительные устройства.

2. Разработана мехатронная система управления подвеской в которой установлены гидравлическое амортизаторы, с дополнительным клапаном, меняющим их сопротивления в зависимости от состояния дороги;

3. Разработана конструкция перепускного клапана гидравлического амортизатора с изменяемой характеристикой сопротивления;

4. Оптимизированы гидравлические характеристики мембранного узла управляемого гидравлического амортизатора при различном перекрытии перепускных отверстий перепускного клапана.

5. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения мехатронной системы управления подвеской легкового автомобиля и повышения комфортности составит 272 млн. сум , при годовой программе 8000 амортизаторов.

Список использованной литературы

1. Президент Ислом Каримовнинг 2012 йил 17 февралдаги “Юксак билимли ва интеллектуал ривожланган авлодни тарбиялаш - мамлакатни бар?арор тара??ий эттириш ва модернизация ?илишнинг энг му?им шарти” мавзусидаги ?ал?аро конференциянинг очилиш маросимидаги нут?и. www.президент.уз

2. Президент Ислом Каримовнинг 2012 йил 19 январдаги 2011 йилнинг асосий якунлари ва 2012 йилда Ўзбекистонни ижтимоий-и?тисодий ривожлантиришнинг устувор йўналишларига ба?ишланган Вазирлар Махкамасининг мажлисидаги “2012 йил Ватанимиз тара??иётини янги бос?ичга кўтарадиган йил бўлади” мавзусидаги маърузаси. www.президент.уз

3. Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2011 йил 7 декабрдаги Ўзбекистон Республикаси Конституцияси ?абул ?илинганининг 19 йиллигига ба?ишланган тантанали марасимдаги “Бизнинг йўлимиз - демократик исло?атларни чу?урлаштириш ва модернизация жараёнини изчил давом эттириш йўлидир” мавзусидаги маърузаси.. www.президент.уз

4.Гарифуллин А. А. «Разработка мехатронной системы управления подвеской легкового автомобиля» , магистерская диссертация по специальности 5А 521101 «Автомобили».Т,ТАДИ.2012.

5. Юсупбеков Х., Хакимов А.М.Исследование истечения жидкости через отверстия мембраны перепускного клапана регулируемого амортизатора,Т,ТАДИ.2013

6. Юсупбеков Х., Хакимов А.М Датчики ускорения для системы автоматического управления работой гидравлического амортизатора,Т.ТАДИ.2012.

7. О.В.Лебедев, Ж.Каниев .Гидрораспределитель с мембранным клапаном. Журнал «Ўзбекистон ?ишлок хўжалиги», Ташкент, 2007, № 12, с. 30

8. Лебедев О.В. и др. Мехатронные системы машин, Ташкент, АН РУз, 2010г, 2,5 п.л.

9. Сысоева С., Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. ж.-л. «Компоненты и технологии» №2-3, 2007г.

10. Иноятходжаев Ж.Ш. Обоснование параметров амортизатора мембранного типа автомобиля с помощью имитационного моделирования., автореф. дис. на соискание ученой степени к.т.н. Т. - 2009г.с 22.

11. Патент РУз. №1АР 03855. Способ контроля технического состояния амортизаторов наземных транспортных систем / Иноятходжаев Ж.Ш. и др. // Расмий ахборотнома , 2009, №1.

12. Иноятходжаев Ж.Ш., Лебедев О.В. Характеристики подвесок автомобилей с системой автономного адаптивного управления ТошДТУ хабарлари. -Т., 2006, №2. - с. 59-62

13. Патент на полезную модель Ru 91317V1. КЛ. B60G1/04, 2006.

14. Хакимов А.М., Гарифуллин А.А. Конструкция регулируемого амортизатора подвески автомобиля. «Вестник ТАДИ», Ташкент, №2, 2010г.

15. Богачев Ю.П. Мехатроника - достижения и проблемы. Приводная техника, №4,1998.

16. Подураев Ю.В. Основы мехатроники. М: Изд-во МГТУ СТАНКИН, 1999.

17. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. - М.: Наука, 1978.

18. Harashima F., Tomizuka M., Fukuda T., .Mechatronics - «What Is It, Why and How ?» // IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, vol .1, 1996.

19. Осепчугов В.В. , Фрумкин А.К. «Автомобиль конструкций, элементы расчёта», М. Машиностроение, 1989 г.

20. Раймпель Й. «Шасси автомобиля: амортизаторы, шины и колёса» / Пер. с нем. В.П. Агапова; под редакцией О.Д. Златовратского. - М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.: ил.

21. Хаммилл Д. «Подвеска и тормоза. Как построить и модифицировать спортивный автомобиль», - М.; Легион - Автодата; 2005 г.; - 96 с.;ил.

22. Джексон Р.Г. «Новейшие датчики»; - М.; Техносфера; 2007 г.; - 384 с.

23. Дэниэлс Дж. «Современные автомобильные технологии»; - М.; ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель»; 2003 г.; - 223 с.; ил.

24. www.rekon-izhora.ru

25. www.twirpx.com

26 www.cadcamus.org

27. www.bookarchive.ru

Рецензия

на магистерскую диссертацию Юсупбеков Хондамир Абдуллабек угли «Совершенствование мехатронной системы управления активной подвеской легкового автомобиля » представленную на соискание академической степени магистра наук по специальности 5А310604- “Автомобили и автомобильное хозяйство”

Автомобильная промышленность Узбекистана относится к группе отраслей, призванных сыграть предельно ответственную роль в осуществлении глубоких структурных преобразований в экономике страны. Одной из важнейших задач, стоящих перед конструкторами автомобилей, является создание для человека таких условий движения, при которых он не будет испытывать никаких негативных ощущений. Исходя из этого актуальность диссертационной работы Юсупбеков Хондамир сомнений не вызывает.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

В первой главе показано современное состояние вопроса и поставлены цели и задачи исследования.

Во второй главе отражено теоретико-экспериментальное исследование амортизатора с автоматическим управлением.

В третьей главе представлен технико-экономический анализ, разработанной конструкции и рекомендации к внедрению в производство.

Достоинством работы является возможность её практической реализации на отечественных автомобильных заводах.

Диссертация изложена простым в техническом отношении языком. Диссертация иллюстрирована многочисленными графиками и другими наглядными материалами и основана на достаточно современных источниках литературы. Большую часть использованной литературы составляют зарубежные источники.

Замечания:

В качестве недостатка можно отметить отсутствие экспериментальных данных в реальных дорожных условиях.

В целом считаю, что диссертация представляет собой квалифицированную и завершённую работу, отвечающую задачам современного качественного изготовления деталей автомобилей. Основные положения и выводы диссертации обоснованы. Диссертация соответствует требованиям предъявляемым к магистерским диссертациям, а её автор Юсупбеков Хондамир заслуживает присвоения академической степени магистра по специальности 5А310604- “Автомобили и автомобильное хозяйство”.

Зав. лабораторией МЖГСП

ИМиСС АНРУз, к.ф-м.н. Г. К. Аннакулова

Отзыв

на магистерскую диссертацию Юсупбеков Хондамир Абдуллабек угли на тему «Совершенствование мехатронной системы управления активной подвески легкового автомобиля» представленную на соискание академической степени магистра наук по специальности 5А310604- «Автомобили и автомобильное хозяйство»

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 средне статической. Такое положение вызывает необходимость разработки активной подвески, т.е. подвески автоматически реагирующей на текущие дорожные условия.

Одним из направлений решения данной проблемы - разработка управляемого амортизатора, изменяющего характеристики в зависимости от дорожных условий.

На основе изучения научных трудов Президента Узбекистана И.А. Каримова о преодолении международного экономического кризиса и анализа научно-технической, компьютерных, информационных технологий, магистрантом Юсупбеков Хондамиром выявлена актуальность темы, научная новизна и поставлена цель выполнения диссертационной работы. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

-Разработана мехатронная система управления сопротивлением гидравлического амортизатора;

-Разработана конструкция перепускного клапана гидравлического амортизатора с изменяемой характеристикой сопротивления;

-Оптимизированы гидравлические характеристики мембранного узла управляемого гидравлического;

Во время выполнения диссертационной работы Юсупбеков Хондамир проявил способности самостоятельного решения поставленных научных задач.

Диссертационная ...