CC BY
37
УДК 629.11.012.8 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-96-101
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА С РЕЗИНО-КОРДНОЙ ОБОЛОЧКОЙ ТОРОИДНОГО ТИПА ПОДВЕСКИ АТС НА ЕГО РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ANALYSIS OF INFLUENCE OF GEOMETRIC PARAMETERS AIR SPRING RUBBER-SHELL WITH SUSPENSION TOROIDAL TYPE ATS ITS PERFORMANCE
© 2015 г. А.Б. Черненко, А.Д. Ефимов, А.А. Азаренков
Черненко Андрей Борисович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобили и безопасность движения», Адыгейский филиал Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Ефимов Артем Дмитриевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: e1984ad@mail.ru
Азаренков Андрей Александрович - доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Chernenko Andrey Borisovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «CAR and Traffic Safety» Adyghe branch of Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Efimov Artem Dmitrievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Road Transport and Traffic Management», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: e1984ad@mail.ru
Azarenkov Andrey Aleksandrovich - assistant professor, department «Road Transport and Traffic Management», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Произведены расчеты поперечных жесткостей пневмоэлементов с резино-кордной оболочкой то-роидного типа с различными соотношениями геометрических параметров, что позволило установить влияние геометрических параметров пневматического упругого элемента на его нагрузочные характеристики, которые подтверждают предположение о возможности создания пневмовиброизляторов для различных систем вторичного подрессоривания многоосных автомобилей с наперед заданными желаемыми характеристиками. А также проведенные исследования позволили установить интервалы варьирования геометрическими параметрами при решении задачи синтеза пневматического упругого элемента с резино-кордной оболочкой тороидного типа с характеристиками, близкими к оптимальным.
Ключевые слова: резино-кордная оболочка; пневматический упругий элемент; тор; подрессоривание.
Calculations of the transverse ruggedness of pneumoelements with a rubber-cord casing of toroidal type with various relationships of critical bucklings that had allow to instal effect of critical bucklings of a pneumatic elastic element on it load characteristics who confirmed the conjecture of possibility of creation of pneumatic insulators of vibration for various systems of a secondary cushioning of multiaxis cars with beforehand set desirable performances was ma. And also the conduct probes had allow to instal intervals of a variation critical bucklings at the solution of a problem of a synthesis of a pneumatic elastic element with a rubber-cord casing of toroidal type with performances close to the optimum.
Keywords: rubber-cord casing; pneumatic elastic element; torus; cushioning.
Создание пневматического упругого элемента с резино-кордной оболочкой (РКО) тороидного типа с необходимыми виброзащитными свойствами ставит задачу более глубокого изучения влияния конструктивных параметров пневмоэлемента на его динамические качества.
Анализ возможных конструктивных решений подвески кабины показывает, что для системы вторичного подрессоривания кабин многоосных автомобилей наиболее приемлемыми могут быть пневматические упругие элементы с РКО тороидного типа [1, 2].
Пневматические упругие элементы с РКО тороидного типа обладают способностью воспринимать нагрузки по всем трем направлениям, что дает возможность частично или полностью отказаться от на-
правляющего устройства подвески кабины. Наряду с этим вертикальная нагрузочная характеристика пневматических упругих элементов с РКО тороидного типа может в значительной степени варьироваться в зависимости от конфигурации поверхности металло-арматуры, с которой оболочка контактирует, что позволяет корректировать для имеющейся РКО нагрузочную характеристику с целью приближения ее к оптимальной для заданных условий [2, 3].
Одной из важнейших особенностей пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа, отличающей его от всех существующих в настоящее время типов пневмоэлементов с РКО, является возможность измененять нагрузочные характеристики пневмоэлемента в широких пределах варьирования его геометрических параметров [4, 5].
Исследование влияния геометрических параметров пневмоэлемента на его рабочие характеристики проводилось на основе разработанной математической модели пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа для различных форм направляющих поверхностей металлоарматур. При этом варьировались такие геометрические параметры, которые в большей степени могут влиять на его рабочие характеристики, а именно: радиус поршня Rn и радиус корпуса Rk упругого элемента, эксцентриситет т между центрами радиусов Rп и Rk, а также углы наклона нормалей а12 и р12, проведенных в точках сопряжения гофров оболочки со сферическими направляющими поверхностями металлоарматуры (корпус и поршень), которые определяют положение высоты центров гофров тороидальной оболочки (рис. 1). Пределы варьирования геометрическими параметрами определяются эксплуатационными и технологическими факторами, с учетом технического задания на разработку пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа для систем вторичного подрессори-вания автомобилей [6, 7].
' X
Рис. 1. Расчётная схема осевой нагрузочной характеристики пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа: а1,2 и Р12 - углы наклона нормалей, проведённых в точках сопряжения гофра оболочки с направляющими поверхностями ограничивающей арматуры (корпуса и поршня), рад; Р1 и р2 - радиусы гофров резино-кордной оболочки, м; т - смещение центра масс, м; Rп - радиус поршня, м; Rк - радиус корпуса, м
По представленным в работе [2] аналитическим зависимостям были произведены расчеты поперечных жесткостей пневмоэлементов с РКО тороидного типа с различными соотношениями геометрических параметров. Проведенные расчеты позволили оценить степень влияния каждого из вышеперечисленных
геометрических параметров на нагрузочные характеристики пневмоэлемента, а также установить значение диапазонов варьирования ими для выбора оптимальных вариантов при решении задачи синтеза пневмоэлемента с РКО тороидного типа по заданной нагрузочной характеристике.
В результате расчетов нагрузочных характеристик пневмоэлемента с РКО тороидного типа были получены законы изменения эффективных площадей давления внутри полости РКО и объема резино-кордной оболочки V от деформации X упругого элемента.
На рис. 2 - 5, в качестве примера, представлены расчетные характеристики пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа, имеющего сферические поверхности направляющих арматур (расчётная схема приведена на рис. 1), позволяющие оценить влияние геометрических параметров пневмоэлемента на его рабочие характеристики. Характерным для полученных нагрузочных характеристик пневмоэле-ментов с РКО тороидного типа является то, что эффективная площадь, равная разности эффективных площадей верхнего и нижнего гофров, при определенном значении хода и определенном сочетании геометрических параметров упругого элемента, может быть равной нулю, а также увеличиваться, принимая положительные или отрицательные значения (рис. 3). Однако, как показали расчёты, этого возможно достигнуть только при нелинейных поверхностях направляющих арматур упругого элемента (корпус и поршень выполнены в виде двух концентрично расположенных сфер либо расположенных с эксцентриситетом).
Вместе с тем объем пневмоэлемента с РКО торо-идного типа с увеличением эффективной площади от нуля до максимального растяжения или до максимума при полном сжатии изменяется в обратной зависимости (рис. 4), что предопределяет прогрессивность нагрузочных характеристик Q(x). Такая прогрессивность характеристик объясняется тем, что на всем диапазоне значений прогиба X происходит непрерывное увеличение эффективной площади Sэ в процессе растяжения или сжатия резино-кордной оболочки и восстанавливающая сила растет значительно быстрее, чем давление в оболочке (рис. 5).
Пневматический упругий элемент с РКО тороид-ного типа может работать при отрицательных значениях восстанавливающей силы на поршне. Благодаря этому свойству, в некоторых случаях, возможно применение этого упругого элемента без специальных ограничений хода отбоя, так как упругим ограничителем хода отбоя может служить противодавление, создаваемое одним из гофров резино-кордной оболочки тороидного типа [8, 9].
На рис. 2 представлены нагрузочные характеристики пневмоэлемента с РКО тороидного типа, полученные для трех значений статической нагрузки на упругий элемент, геометрические параметры которого определяются соотношениями Rk|Rn и а^а 2 .
Q, кН
\IRn=2 4
2 т=-Щ
X, г
-i 0 -2 Oj И 0,( 2
а
Q, кН
VR„=2 8
4 >f!=o
-( -tf^X/2 X, м
0 -4 ü,< И ö,{ 2
б
6 Q, кН
Rk/RH = 1 ,6 4 т=-ХУ ? p
2
*m=X/2 X, м
-( -2 0 ÖJ И 0,C 2
i /
в г
Рис. 2. Нагрузочные характеристики пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа
Rk/Rn=1 ,6 S„ M2 U 40 r« m=X/2,
m=-X/2 X, M
-TT,02^ Ф01 0 0,01 -20 0,02
а
Рис. 3. Изменение эффективной площади
S3, m2 1С 60 >
Rk/Rn = 1 ,6 ад з2 /a,=1J
io > /а 2/а, = 1
з2/а<=1,' X, м
-0,01 0 0,01 0,02
-20
б
упругого элемента с РКО тороидного типа
а б
Рис. 4. Изменение объема оболочки пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа
1,2
Rk/Rn=1 ,6 1,1 В f т=Х/2^ /1=0,1
*fri=-X/2
0,9
э, )2 0,01 0 0,( 1 0.( 2
X, м
0,6 т=Х/2 у
Rk /Rn - 1 0,3 ß 'о /i=y
'"т=-Х/2
1 )2 0,01 0,Ü8 0 0,( 1 0,( <2
X, м
б
Рис. 5. Изменение давления воздуха в оболочке пневматического упругого элемента
с РКО тороидного типа
Из рассмотрения графиков следует, что с увеличением соотношения Rk|Rn нагрузочная характеристика пневмоэлемента становится более прогрессивной в конце ходов отбоя и сжатия, аналогичная картина наблюдается с увеличением отношения а2/а1 . Изменение значений углов наклона нормалей а12 и р12 , проведенных в точках сопряжения гофров рези-но-кордной оболочки с направляющими поверхностями металлоарматуры, а также соотношения между радиусами корпуса и поршня Rk и Rп, оказывают преимущественное влияние на изменение эффективной площади пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа.
С изменением эксцентриситета т жесткость пневмоэлемента изменяется как при положительных, так и при отрицательных ходах. Вместе с этим варьи-
рование эксцентриситетом на величину в пределах прогиба упругого элемента позволяет получить отрицательное значение восстанавливающей силы на поршне. Кривая т = Х/2, на рис. 2 соответствует отсутствию противодавления, создаваемого одним из гофров РКО тороидного типа. Форма нагрузочной характеристики становится более благоприятной, если эксцентриситет т увеличивается по ходу отбоя т.е. т = Х/ 2.
С увеличением статической нагрузки на упругий элемент жесткость его несколько увеличивается, однако она возрастает менее интенсивно, чем при изменении эксцентриситета пневмоэлемента. При слишком больших значениях т = +Хтах , жесткость на значительном диапазоне нагрузок меняется мало.
а
На рис. 4 и 5 представлены графики изменения таких параметров пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа, как внутренний объем РКО V и давление в полости РКО Ри от деформации X виброизолятора. Для тороидных пневмоэлементов зависимость объема РКО от его прогиба является монотонно убывающей функцией, однако, при определенных соотношениях геометрических параметров упругих элементов, функция объема может иметь максимум. Этот максимум соответствует значению той деформации упругого элемента, когда его эффективная площадь стремится к нулевому значению (рис. 4). Причем, чем ближе значение деформации упругого элемента, где имеется точка перегиба функции объема к положению статического равновесия (Х = 0), тем меньше динамический диапазон изменения объема оболочки, а также давления внутри полости РКО (рис. 5).
Из сопоставления графиков на рис. 2 - 5 следует, что, варьируя значения геометрических параметров пневматических упругих элементов с РКО тороидного типа, можно менять форму и величину нагрузочных характеристик в желательном направлении. В частности, значения т, Rn, Rk, а также 011,2 и Р12 можно выбирать таким образом, чтобы в заданном диапазоне изменения статической нагрузки собственная частота колебания системы подвешивания изменялась бы только в ограниченных пределах. При этом общее увеличение жесткости подвески из-за получения характеристики с противодавлением, создаваемым в пневмоэлементе, может быть по возможности компенсировано подбором объемов воздуха.
Степень влияния геометрических параметров пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа на его поперечную жесткость наглядно иллюстрируется в таблице, где представлены значения суммарных поперечных жесткостей пневмоэлемента
СП П
У , а также значения каркасной Ck и геометриче-
ской СП поперечных жесткостей для трех значений статической нагрузки на виброизолятор, геометрические параметры которого определяются соотношениями: Rk|Rn , а2/а1, Р2/Р1 и величиной эксцентриситета т.
Из представленных данных следует, что с увеличением статической нагрузки на упругий элемент значения геометрических и каркасных жесткостей увеличиваются линейно, независимо от изменения эксцентриситета между радиусами поршня и кожуха пневмоэлемента, а также соотношений Rk|Rn , а2/ а1 и т.
Однако для каждого значения статической нагрузки на упругий элемент, с изменением эксцентриситета т от 0 до величины прогиба пневмоэлемента, значение поперечной жесткости увеличивается, причем с увеличением т в сторону отбоя (т = —Х) поперечная жесткость виброопоры растет более интенсивно.
На изменение поперечной жесткости упругого элемента с РКО тороидного типа заметное влияние оказывает варьирование соотношения Rk/Rn . С увеличением его от 1,6 до 2,2 поперечная каркасная жесткость СП несколько возрастает, однако геометрическая поперечная жесткость СП уменьшается для всех значений т « + хтах .
Исследование влияния геометрических параметров пневматического упругого элемента с РКО торо-идного типа на его нагрузочные характеристики подтверждает предположение о возможности создания пневмовиброизоляторов для различных систем вторичного подрессоривания многоосных автомобилей с наперед заданными желаемыми характеристиками [10].
Наряду с этим проведенные исследования позволили установить интервалы варьирования геометрическими параметрами при решении задачи синтеза пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа с характеристиками, близкими к оптимальным.
Степень влияния геометрических параметров пневматического упругого элемента с РКО тороидного типа на его поперечную жесткость
Сп, кНм m = 0 m = х/2 m = -x/2
Рст, кН ск Cr Ci Ck Cr Ci Ck Cr Ci
1,0 160 350 510 225 496 720 252 595 846
2,0 288 666 953 420 962 1361 464 1147 1610
3,0 414 982 1396 615 1428 2042 676 1702 2377
1,0 162 343 526 236 437 673 247 489 736
2,0 346 668 1013 447 847 1294 437 958 1395
3,0 509 992 1501 673 1257 1948 699 1426 2125
Литература
1. Черненко А.Б., Гасанов Б.Г. Пневматические системы вторичного подрессоривания кабин многоосных автомобилей / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2012. 156 с.
2. Черненко А.Б., Ефимов А.Д. Модель пневматического упругого элемента с резино-кордной оболочкой тороид-ного типа // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 4. С. 63 - 66.
3. А.с. №1677405 СССР. 1988. кл^№9/04. Пневматическая виброизолирующая опора.
4. Черненко А.Б. Создание и исследование пневматической системы подрессоривания кабины многоосных автомобилей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1991.
5. Черненко А.Б. Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики систем подрессоривания кабин многоосных автомобилей // Изв. вузов. Машиностроение. 1990. № 8. С. 42.
6. Черненко А.Б., Галашин В.А., Бородин В.П. Пневматическая подвеска кабин грузовых автомобилей // Улучшение экологических характеристик автомобилей и тракторов, проблемы снижения шума, вибрации и токсичности ав-
томобилей : тез. докл. Отрасл. науч.-техн. семинара, 2426 окт. 1989 г. М., 1989. С. 38 - 39.
7. Бидерман В.Л. Расчёт резинокордных пневматических амортизаторов // Расчёты на прочность М., 1960. С. 176.
8. Кузнецов Ю.И. Синтез резинокордных упругих элементов пневматических подвесок колёсных машин: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1976.
9. Передерий В.Г., Черненко А.Б., Кузнецов А.А., Миронова С.Н. Оценка эффективности применения пневматических виброизолирующих опор с резино-кордными оболочками тороидного типа в системах вторичного подрес-соривания многоосных автомобилей // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф., г. Пенза, 18 - 20 мая 2010 г. / Пензенский гос. ун-т архитектуры и стр-ва. Пенза, 2010. Ч. 1. С. 157 - 163.
10. Черненко А.Б., Нефёдов В.В. Механические характеристики пневматических упругих элементов в системах вторичного подрессоривания многоосных автомобилей // Мехатроника и робототехника. Современное состояние и тенденции развития : сб. тез. и статей Всерос. конф. с элементами науч. школы для молодежи, г. Новочеркасск, 20 - 24 сент. 2010 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск , 2010. С. 99 - 104.
References
1. Chernenko A.B., Gasanov B.G. Pnevmaticheskie sistemy vtorichnogo podressorivaniya kabin mnogoosnyh avtomobilej [Pneumatic systems of secondary cushioning of cabins of multiaxis cars]. Novocherkassk, SRSTU, 2012, 156 p.
2. Chernenko A.B., Efimov A.D. Model' pnevmaticheskogo uprugogo 'elementa s rezino-kordnoj obolochkoj toroidnogo tipa [Model's of a pneumatic elastic element with a rubber-cord casing of toroidal type]. Izvestiya VUZov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2012, no. 4, pp. 63-66.
3. Pnevmaticheskaya vibroizoliruyuschaya opora [Pneumatic shock absorbers bearing part.]. A.s., no 1677405 SSSR, 1988.
4. Chernenko A.B. Sozdanie i issledovanie pnevmaticheskoj sistemy podressorivaniya kabiny mnogoosnyh avtomobilej: avtoref. dis. kand. tehn. nauk [Creation's and probe of pneumatic system of cushioning of a cabin of multiaxis cars: author's PhD thesis]. Moscow, 1991.
5. Chernenko A.B. 'Eksperimental'nye amplitudno-chastotnye harakteristiki sistem podressorivaniya kabin mnogoosnyh avtomobilej [Experimental's amplitude-frequency characteristics of systems of cushioning of cabins of multiaxis cars]. Izvestiya VUZov. Mashinostroenie, 1990, no. 8, pp. 42.
6. Chernenko A.B., Galashin V.A., Borodin V.P. [Pneumatic suspender of cabins of cargo vehicles]. Uluchshenie 'ekologicheskih harakteristik avtomobilej i traktorov, problemy snizheniya shuma, vibracii i toksichnosti avtomobilej : tez. dokl. Otrasl. nauch.-tehn. seminara, 24-26 okt. 1989 g [Martempering of ecological performances of cars and tractors, problems of noise abatement, vibration and toxicity of cars: abstracts of scientific and technological industry seminar, Oct. 24-26 1989]. Moscow, NICIAMT, 1989, pp 38-39 . (In Russian).
7. Biderman V.L. [Calculation of rubber-cord pneumatic shock absorbers]. Raschety na prochnost' [Strength analysis].Moscow, 1960, p. 176. (In Russian).
8. Kuznecov Yu.I. Sintez rezinokordnyh uprugih 'elementov pnevmaticheskih podvesok kolesnyh mashin: avtoref. dis. kand. tehn. Nauk [Synthesis of rubber-cord elastic elements of pneumatic suspension wheeled vehicles: author's PhD thesis]. Moscow, 1976.
9. Perederij V.G., Chernenko A.B., Kuznecov A.A., Mironova S.N. [Estimation's of efficiency of application pneumatic the antivibration of bearing parts with a rubber-cord casing of toroidal type in systems of secondary cushioning of multiaxis cars]. Prob-lemy kachestva i 'ekspluatacii avtotransportnyh sredstv : materialy VI Mezhdunar. nauch.-tehn. konf., g. Penza, 18-20 maya 2010 g. [Problems of quality and maintenance of vehicles: Materials VI International Scientific and Technical Conference, Penza, May 18-20, 2010 / Penza State University of Architecture and Construction]. Penza, PGUAS, 2010, vol. 1, pp 157-163. (In Russian).
10. Chernenko A.B., Nefedov V.V. [Mechanical characteristics of pneumatic elastic elements in systems of secondary cushioning of multiaxis cars]. Mehatronika i robototehnika. Sovremennoe sostoyanie i tendencii razvitiya : sb. tez. i statej Vseros. konf. s 'elementami nauch. shkoly dlya molodezhi, g. Novocherkassk, 20-24 sent. 2010 g. [Mechatronics and Robotics: current state and development trends: book of abstracts and articles All-Russian Conference with elements of scientific school for youth, Novocherkassk, 20-24 сент. 2010]. Novocherkassk , LIK Publ., 2010, pp. 99-104. (In Russian).
Поступила в редакцию 23 октября 2014 г.
