Библиографическое описание:

Ходес И. В., Слюсарев А. М., Победин А. В., Соколов-Добрев Н. С. Исследование управляемости транспортного средства при введении в рулевое управление упругого элемента // Молодой ученый. — 2013. — №4. — С. 98-103.

В статье приводится схема подвески передних управляемых колес с дополнительным упругим элементом, введенным в рулевое управление, и обеспечивающим улучшенные показатели управляемости. Рассмотрены значения углов бокового увода и сил, действующих на управляющие колеса автомобиля, снабженного такой подвеской при движении на прямолинейных и криволинейных участках дороги.

Ключевые слова: автомобиль, управляемость, подвеска, боковой увод, боковая сила, подруливание, стабилизация прямолинейного движения.


Традиционное управление транспортным средством, как правило, подразумевает необходимость периодической корректировки курсового направления движения, называемого подруливанием, интенсивность которого возрастает с увеличением скорости. При этом одновременное увеличение центробежной силы, приводит к нарастающему поперечному воздействию на оси опорных колес, увеличению их боковых реакций, и вызывает известное явление бокового увода и соответствующего изменения кривизны траектории движения [1, 3, 5]. В связи с этим актуальна задача разработки схемы подвески передних управляемых колес, обеспечивающей улучшенные параметры управляемости за счет непосредственной автоматической компенсации угла увода колеса и определения характеристик движения транспортного средства, снабженного такой подвеской.

В качестве готового технического решения был рассмотрен патент [5], в котором поворотный кулак заменен на узел, включающий в себя поворотную цапфу 1, дополнительный рычаг 2 и упругий элемент, выполненный в виде изогнутой пластины 3 (рис. 1). За счет упругого элемента 3, установленного между поворотной цапфой 1 и дополнительным рычагом 2, под действием горизонтальной поперечной силы предполагается поворот колеса с поворотной цапфой в той же плоскости в сторону, обратную направлению увода. По мнению авторов, такая конструкция подвески компенсирует боковой увод и улучшает стабилизацию прямолинейного движения колесной машины.

Для упрощения конструкции, повышения ее технологических свойств и надежности, вместо трехрежимного гидравлического управляемого демпфирующего устройства [5] предложено установить резиновое демпфирующее устройство 4 с нелинейной упруго-диссипативной характеристикой (рис. 1).

Рис. 1. Пример реализации подвески с дополнительным упругим элементом для автомобиля ВАЗ 2109


Введение резинового демпфирующего устройства должно повысить надежность подвески за счет предотвращения резонансного увеличения горизонтальной поперечной силы при ее периодическом изменении, а также исключить тенденцию транспортного средства к избыточной поворачиваемости.

Установка упругого элемента дает подвижность колесу с поворотной цапфой только в горизонтальном поперечном направлении без дополнительного наклона в поперечной вертикальной плоскости. При этом происходит непосредственная автоматическая компенсация бокового увода за счет изменения только схождения без пространственного неучитываемого перемещения колес в вертикальной продольной и поперечной плоскостях. Для того чтобы поворот плоскости колеса с поворотной цапфой проходил в сторону, обратную направлению увода, точка пересечения оси поворота колеса с опорной поверхностью расположена позади его вертикальной оси по направлению движения колесной машины, т. е. подвеска имеет отрицательный «вылет».

Упругий элемент 3 выполнен в виде полукольца прямоугольного сечения, причем его материал должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать статические и динамические нагрузки, действующие на автомобиль. Жесткость упругого элемента 3 выбирается такой, чтобы момент, создаваемый горизонтальной поперечной силой на колесе при повороте относительно оси шарового шарнира, был равен моменту, создаваемому упругим элементом при повороте колеса на такой же угол [2, 4]. Жесткость упругого элемента рекомендуется определять по следующему выражению:

C=k*e,

где k-коэффициент увода управляющего колеса Н/рад, e — вылет оси поворота предлагаемой подвески, м. Для обеспечения достаточной прочности конструкции и одновременно обеспечения необходимой податливости, предварительная угловая жесткость упругого элемента задается равной С = 400 (Н*м/рад). В дальнейших исследованиях это значение будет корректироваться.

Рис. 2. Виртуальная модель автомобиля ВАЗ 2109 в программном пакете «Универсальный механизм»


Для исследования параметров движения транспортного средства, снабженного предлагаемым типом подвески, была использована виртуальная модель автомобиля ВАЗ 2109, выполненная в программном комплексе «Универсальный механизм» (рис. 2) [6]. Компоновка подвески передних управляющих колес модели была изменена в соответствии с предлагаемой конструкцией, а именно в обобщенный шарнир, связывающий поворотный кулак и стойку, добавлена дополнительная степень свободы (поворот вокруг вертикальной оси, рис. 3). Кроме этого, в шарнир введен дополнительный момент сил упругости, возникающий при деформации упругого элемента. Остальные параметры модели подробно описаны в справочном руководстве и демонстрационном примере комплекса «Универсальный механизм» [6].

Рис. 3. Реализация дополнительного вращательного шарнира с упругой связью


При виртуальном моделировании определялось изменение во времени углов бокового увода и поперечных сил (сопротивления боковому уводу), действующих на оба управляющих колеса. Моделирование проводилось для стандартной подвески автомобиля ВАЗ 2109 и модифицированной, с введением в рулевое управление дополнительного упругого элемента, при равных прочих условиях движения. Управление транспортным средством осуществлялось без обратной связи, т. е. при прохождении маневров угол поворота рулевого колеса задавался как функция времени. Режим продольного движения выбран с постоянной скоростью V=15 м/с. Угол поворота рулевого колеса в зависимости от времени приведен на рис. 4. Траектория пройденного автомобилем пути в горизонтальной плоскости представлена на рис. 5. Вертикальный профиль дороги по траектории не изменялся, микронеровности не моделировались. Контакт шины с плоскостью дорожного полотна в модели реализован с помощью формулы Пасейки (Pacejka Magic Formula) [6, 7]. Взаимодействие шины с плоскостью дороги выбрано многоточечным с комбинированным скольжением.

Рис. 4. Зависимость угла поворота рулевого колеса от времени


Рис. 5. Траектория пройденного автомобилем пути при моделировании


Результаты моделирования для двух типов подвесок (стандартной и с упругим элементом) представлены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Осциллограммы углов бокового увода стандартной и измененной подвески при движении автомобиля по криволинейной траектории со скоростью 15 м/с


Рис. 7. Осциллограммы поперечных сил, действующих на управляющие колеса стандартной и измененной подвески при движении автомобиля по криволинейной траектории со скоростью 15 м/с


Анализ осциллограмм показал, что боковой увод, вызванный углами установки развала и схождения управляющих колес, при движении на прямых участках дороги, практически полностью компенсируется упругим элементом предлагаемой подвески. Так, угол бокового увода левого колеса, при прямолинейном движении на стандартной подвеске, равен 0.017 рад. Введение упругого элемента в рулевое управление уменьшает этот угол до 0.001 рад или на 95 %. Изменение бокового увода правого колеса происходит аналогичным образом, симметрично относительно оси абсцисс (рис. 6). Уменьшение радиуса кривизны траектории движения увеличивает величину центробежной силы, и тем самым, на данном участке дороги, происходит увеличение угла бокового увода, как для стандартной, так и для модифицированной подвесок. При движении автомобиля по траектории с постоянным радиусом и скоростью, углы бокового увода управляющих колес стандартной подвески приблизительно совпадают с углами увода модифицированной подвески. При этом боковые силы, действующие на колеса в поперечной плоскости, для обоих типов подвесок, также совпадают.

Сопоставляя углы бокового увода и силы, действующие на управляющие колеса в поперечных плоскостях, можно определить их коэффициенты бокового увода. Так, например, максимальная сила, действующая на левое колесо стандартной подвески при прямолинейном движении равна Fл=925.34 Н, угол увода л при этом составляет 0.0173 рад, тогда коэффициент бокового увода будет:

Kk ст = Fл / л = 925.34 / 0.0173 = 53487.86 (Н/рад) = 95.12 (кгс/град).

Аналогичным образом эти коэффициенты рассчитываются для разных режимов движения. Полученные при моделировании некоторые эксплуатационные показатели обоих рассматриваемых видов подвесок приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сводные характеристики углов и коэффициентов поперечного увода колес и действующих на них боковых сил


Стандартная подвеска

Модифицированная подвеска

Угол бокового увода, рад

Боковая сила, Н

Коэффициент бокового увода, кгс/град

Угол бокового увода, рад

Боковая сила, Н

Коэффициент бокового увода, кгс/град

Прямой участок дороги

Левое колесо

0,01730

925,34

95,12

0,0009

19,9

39,13

Правое колесо

-0,01578

-840

94,69

-0,0016

-44,25

48,49

Левый поворот, установившееся движение Rmin40 м

Левое колесо

0,04295

1543,67

63,94

0,05050

1673,07

59,03

Правое колесо

0,01219

1357,61

198

0,01176

1359,69

205,64

Правый поворот, установившееся движение Rmin60 м

Левое колесо

-0.00474

-745,09

279.78

-0.009

-944.98

186.67

Правое колесо

-0.03641

-1521.49

74.34

-0.0223

-1082.7

86.26


Полученные при моделировании коэффициенты не противоречат расчетным и экспериментальным данным, приведенным в литературе [4, 8, 9, 10]. Сравнение полученных коэффициентов показало их снижение, примерно на 50–60 %, при введении в рулевое управление дополнительного упругого элемента на прямолинейных участках дороги. Это объясняется компенсацией бокового увода упругой составляющей момента, возникающей в установленном упругом элементе. При выполнении автомобилем поворота с постоянными радиусами кривизны, коэффициенты бокового увода в подвеске, с введенным упругим элементом, незначительно возрастали. Полученные отклонения коэффициентов, можно объяснить повышенной податливостью упругих пружин подвески, и возникающих, в результате выполнения поворотов, продольных и поперечных колебаний остова автомобиля.

В целом, по результатам проведенных численных экспериментов предложенную авторами конструкцию подвески с введенным в рулевое управление упругим элементом, можно рассматривать как дополнительную возможность повышения управляемости транспортного средства за счет стабилизации его прямолинейного движения. Улучшение характеристик подвески можно достичь при проведении оптимизации жесткости упругого элемента с целью непосредственной адаптации ее к установленным углам развала, схождения, а также углов продольного и поперечного наклонов поворотных кулаков.


Литература:

  1. Антонов Д. А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей.- М.:Машиностроение, 1978. -215 с.

  2. Колосов И. В., Ходес И. В. Стабилизация прямолинейного движения колесной машины //Прогресс транспортных средств и систем: матер. междунар. науч. конф. 7–10 сент. 1999 г. /ВолгГТУ и др. — Волгоград, 1999 г. — Ч. 1. — С.143–145.

  3. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Амортизаторы, шины и колеса /пер. с нем. В. П. Агапова; под ред. О.Д Златоврадского.- М.:Машиностроение, 1986. -320 с.

  4. Ходес И. В. Повышение технического уровня колесной машины на базе расчетно- теоретического обоснования параметров управляемости: монография/ И. В. Ходес; ВолгГТУ.- Волгоград, 2005.- 363 с.

  5. Патент № 2232683 Россия, МКИ В60G 3/18. Подвеска передних управляемых колес /И. В. Ходес, И. В. Колосов (Россия).- заявлен 4.11.02, Опубл. 20.07.04, Бюл. № 20.

  6. http://www.umlab.ru/plugins/catalogue/index.php?id=2

  7. Bakker, E., Pacejka, H.B. and Lidner, L.: A New Tyre Model with Application in Vehicle Dynamics Studies. Proc. 4th Int. Conf. Automotive Technologies, Monte Carlo, 1989, SAE paper 890087, 1989.

  8. Гинцбург Л. Л. Устойчивость управляемого движения автомобиля относительно траектории. «Автомобильная промышленность», № 9, 1977 г., с. 27.

  9. Литвинов А. С. Управляемость и устойчивость автомобиля.- М.: Машиностроение. 1971.-415 с.

  10. Малиновский Е. Ю. и др. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой.- М.:Машиностроение, 1974. -176 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle