Проблемы диагностирования подвески автомобиля

УДК 629.113.004.58:629.113.012.344

ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОДВЕСКИ автомобиля

, профессор, д. т. н., , аспирант, , студент, ХГАДТУ

Аннотация. Предложен метод определения технического состояния амортизаторов и рессор автомобиля. Применительно к данному методу, составлена математическая модель колебаний кузова и колеса, при сбрасывании автомобиля с определенной высоты. Приведены графики колебаний масс автомобиля и стенда.

Ключевые слова: диагностика, подвеска, рессора, амортизатор, метод, колесо, жесткость, сопротивление.

Введение

Диагностирование подвески автомобиля может осуществляться по вынужденным или свободным колебаниям подрессоренной или неподрессоренных масс.

Диагностирование по вынужденным колебаниям в основном сводится к экспериментальному определению амплитудно-частотных характеристик.

Диагностирование подвески по свободным колебаниям основано на сравнении эталонной кривой затухающих колебаний кузова с кривой, полученной в процессе испытаний. Эти кривые могут быть получены двумя методами: подтягиванием или сбрасыванием.

Стенд для диагностирования подвески должен удовлетворять следующим требованиям: простота конструкции; низкие затраты энергии, труда и времени на проведение диагностики; достаточная точность результатов диагностики; определение давления воздуха в шинах одновременно с определением параметров рессор и амортизаторов. Очевидно, что первым двум требованиям наиболее полно отвечают стенды, реализующие метод сбрасывания, поскольку они не требуют использования приводных механизмов. К тому же, конструкция стенда предельно упростится, если установить датчик, отслеживающий упругие деформации, на площадке, выполненной в виде мембраны, на которую падает колесо, а не прикреплять регистрирующую аппаратуру к кузову автомобиля, как это делается в настоящее время.

Рассмотрим колебательную систему, в которую входят автомобиль, состояние подвески которого диагностируется, и опорная площадка диагностического стенда (рис.1).

Автомобиль представлен в виде связанных упругим элементом и демпфером подрессоренной (М) и неподрессоренной (m) масс. Шина также моделируется упругим элементом и демпфером, характеризующими радиальную жесткость шины (ct) и затухание в ней (kt). Площадка стенда имеет жесткость сg и коэффициент сопротивления kg.

Диагностирование осуществляется следующим образом.

Автомобиль устанавливается передним (задним) колесом на опорную площадку стенда, шарнирно закрепленную на неподвижной раме и предварительно поднятую в верхнее положение с помощью кулачкового механизма. Затем опора, удерживающая площадку, убирается, и площадка вместе с автомобилем падает на раму стенда. Упругие деформации площадки регистрируются закрепленным на ней датчиком. Сравнивая полученную кривую с эталонной, можно судить о техническом состоянии рессоры и амортизатора.

Математическая модель

Для составления математической модели колебаний системы разобьем процесс ее движения на две фазы: от начала падения автомобиля до момента касания шин площадки и от конца первой фазы до затухания колебаний всей системы. Первую фазу можно описать системой дифференциальных уравнений движения подрессоренной и неподрессоренной масс. На систему из этих масс действует только одна внешняя сила – сила тяжести, поскольку система находится в свободном падении.

а) б)

Рис.1. Схема сил, действующих в подвеске при диагностировании

Составим уравнения движения, приняв следующие основные допущения: колебания кузова и колес малые; жесткость рессоры cs постоянна, а коэффициент сопротивления амортизатора ka принимает значение kas при отбое и значение kac при сжатии; оси масс автомобиля совпадают с главными осями эллипсоида инерции; на автомобиль действуют только вертикальные силы.

Внешние и внутренние силы, действующие на систему, показаны на рис. 1,а. Силы, направленные вниз, принимаем за положительные, вверх – за отрицательные. Отсчет перемещений подрессоренной (z) и неподрессоренной (x) масс производится от положения, при котором автомобиль находится в статическом равновесии на опорной поверхности в начальный момент времени.

Напишем уравнения равновесия для масс M и m

(1)

где , - силы инерции подрессоренной и неподрессоренной масс; Pa, Ps – силы воздействия амортизатора и рессоры.

Для координат x и z уравнения (1) выглядят следующим образом:

(2)

где ls – статический прогиб рессоры.

Во второй фазе в описании колебаний системы должна фигурировать масса площадки стенда m1 и ее координата b. Допущения остаются теми же, кроме того, характеристики упругого и демпфирующего элементов площадки также принимаются линейными. Отсчет перемещений производится от положения, при котором автомобиль находится на мембране в статическом равновесии.

Уравнения равновесия для второй фазы выглядят следующим образом:

(3)

где , - силы демпфирования в шине и на площадке; , - силы упругости в шине и на площадке.

Перепишем уравнения (3) для координат z, x, b

(4)

где lt, lg – статические прогибы шины и мембраны.

Поскольку решение систем уравнений (2) и (4) в символьном виде является проблематичным, представляется целесообразным решать их численными методами с помощью ЭВМ для конкретных параметров автомобилей и стенда.

В качестве примера решим данные уравнения для параметров пассажирского автобуса.

Примем высоту сбрасывания d=0,1 м, затуханием в мембране можно пренебречь.

Статические прогибы упругих элементов вычисляются по формулам

(5)

Поскольку в начальный момент времени система находится в состоянии покоя, то начальные условия для системы (2) будут нулевыми. Для системы (4) начальные условия выглядят следующим образом:

(6)

где tk –момент времени, в который колеса касаются площадки, т. е. при x=d–lt.

Данная математическая модель решена также для параметров подвески, отличающихся от номинальных, а именно: при уменьшенной жесткости рессоры и при уменьшенном сопротивлении амортизатора. Решения найдены на интервале от 0 до 4 с. По результатам решения построены графики функций z(t), x(t) и b(t) (рис.2-4, а – при номинальных значениях параметров подвески, б – при уменьшенном сопротивлении амортизаторов, в – при уменьшенной жесткости рессоры). Анализируя полученные зависимости, можно отметить, что при уменьшении жесткости рессоры увеличивается период низкочастотных колебаний всех масс, а при уменьшении сопротивления амортизатора увеличивается количество амплитуд затухания.

Заключение

Для количественной оценки отклонений параметров подвески от номинальных значений использование графической информации представляется не совсем рациональным. Было бы гораздо удобней вычислять с помощью ЭВМ параметры (cs, ct, ka) и, сравнивая их с номинальными значениями, по отклонениям определять техническое состояние того или иного узла. Это можно реализовать, используя готовые программные пакеты для математических расчетов, взяв за основу рассмотренную модель.

Рис. 2. Графики колебаний подрессоренной массы автомобиля

Рис. 3. Графики колебаний неподрессоренной массы автомобиля

Рис. 4. Графики колебаний площадки стенда

Литература

(1971). Основы теории эксплуатации автомобилей. – Киев: Высшая школа. – 231 с.

, , А. (1973). Диагностика подвески автомобиля. – Москва: Транспорт,– 52 с.

(1972). Подвеска автомобиля. – Москва: Машиностроение.– 385 с.

Рецензент: А. Т Лебедев, профессор, д. т. н., ХГТУСХ.

ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОДВЕСКИ автомобиля................................................................... 1

Введение.......................................................................................................................................................................... 1

Математическая модель............................................................................................................................................. 1

Заключение..................................................................................................................................................................... 3

Литература..................................................................................................................................................................... 4