Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА «КАМАЗ» С ПОЛУПРИЦЕПОМ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ВОДИТЕЛЯ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ И РЕЖИМАХ ДВИЖЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МАТЕМАТЧИЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ МАШИН ДЛЯ
ОЦЕНКИ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ 8
2 ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 12
2.1 ВИДЫ И УСТРОЙСТВА ПОДВЕСОК АВТОМОБИЛЕЙ 12
2.2 ПЛАВНОСТЬ ХОДА И СНИЖЕНИЕ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ АВТОМОБИЛЯ 18
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА 21
3.1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕСКИ 21
3.2 ВЫВОД МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА С ПОЛУПРИЦЕПОМ С ПОМОЩЬЮ УРАВНЕНИЙ
ЛАГРАНЖА ВТОРОГО РОДА 23
3.3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИКРОПРОФИЛЯ ДОРОЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 29
4 РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА 33
4. 1 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 33
4.2 КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА КАМАЗ С ПОЛУПРИЦЕПОМ В СРЕДЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ SIMULINK 34
5 ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА КАМАЗ С
ПОЛУПРИЦЕПОМ 42
5.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИССЛЕДУЕМОЙ СИСТЕМЫ 42
5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЧХ ИССЛЕДУЕМОЙ МОДЕЛИ. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ МАССЫ ПОЛУПРИЦЕПА НА
ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ СИСТЕМЫ 42
5.3 ОЦЕНКА ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ВОДИТЕЛЯ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ И УСЛОВИЯХ ДВИЖЕНИЯ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 56
ПРИЛОЖЕНИЕ
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МАТЕМАТЧИЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ МАШИН ДЛЯ
ОЦЕНКИ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ 8
2 ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 12
2.1 ВИДЫ И УСТРОЙСТВА ПОДВЕСОК АВТОМОБИЛЕЙ 12
2.2 ПЛАВНОСТЬ ХОДА И СНИЖЕНИЕ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ АВТОМОБИЛЯ 18
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА 21
3.1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕСКИ 21
3.2 ВЫВОД МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА С ПОЛУПРИЦЕПОМ С ПОМОЩЬЮ УРАВНЕНИЙ
ЛАГРАНЖА ВТОРОГО РОДА 23
3.3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИКРОПРОФИЛЯ ДОРОЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 29
4 РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА 33
4. 1 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 33
4.2 КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА КАМАЗ С ПОЛУПРИЦЕПОМ В СРЕДЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ SIMULINK 34
5 ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПОДВЕСКИ ТЯГАЧА КАМАЗ С
ПОЛУПРИЦЕПОМ 42
5.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИССЛЕДУЕМОЙ СИСТЕМЫ 42
5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЧХ ИССЛЕДУЕМОЙ МОДЕЛИ. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ МАССЫ ПОЛУПРИЦЕПА НА
ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ СИСТЕМЫ 42
5.3 ОЦЕНКА ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ ВОДИТЕЛЯ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ И УСЛОВИЯХ ДВИЖЕНИЯ 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 56
ПРИЛОЖЕНИЕ
Одной из главных характеристик транспортного средства является плавность
хода. Под плавностью хода подразумевается совокупность свойств колесной машины, позволяющих двигаться с заданными эксплуатационными скоростями по дорожной поверхности без превышения общепринятых норм вибронагруженности.
Чрезмерная вибронагруженность водителя приводит к повышенной утомляемости, притупляет внимание, и в совокупности все это ведет к резкому снижению
производительности и качества труда, а регулярные интенсивные воздействия вибраций в дальнейшем могут негативно повлиять на здоровье и вовсе привести вибрационной болезни. С другой стороны, увеличивается вероятность различного рода аварий и дорожных происшествий, то есть в целом снижается безопасность. Даже, несмотря на то, что в последнее время снижению вибронагруженности водителя уделяется очень большое внимание, эта проблема остается нерешенной для ряда случаев,
так как постоянно возрастают мощности двигателей автомобилей, увеличиваются их
скорости движения. При этом в свою очередь происходит постоянное ужесточение
санитарных норм вибронагруженности.
Автопоезд представляет собой сложную многомассовую динамическую систему, состоящую из автомобиля-тягача и полуприцепа, в которой при движении по
дорогам с неровным и неоднородным покрытием возникают колебания, которые в
свою очередь отрицательно сказываются на элементах конструкции, водителе и перевозимом грузе. Негативное влияние вибрации можно уменьшить, правильно подобрав параметры подвески и прочих элементов вибрационной защиты автомобиля в
процессе стендовых, натурных и виртуальных испытаний [1]. В настоящее время
предпочтительным является последний вариант, поскольку он позволяет существенно снизить объем натурных испытаний, сократив сроки и стоимость проектирования, а также допускает применение эффективных методов численной оптимизации
для решения задачи поиска наилучших параметров конструкции. В то же время для
проведения виртуальных испытаний и предварительных расчетов необходимо нали6
чие точной и, вместе с тем, достаточно простой математической (компьютерной) модели, которая подробно описывает интересующие для исследования в системе процессы.
В современном автомобилестроении активно используются всевозможные методы компьютерного моделирования на всех этапах проектирования и дальнейшей
эксплуатации выпускаемой продукции. В то же время в зависимости от того какие
типы задач решаются на стадии конструирования и последующих этапах жизненного
цикла готового продукта требуется разработка разнообразных моделей, которые описывают интересующие инженера параметры и характеристики автомобиля с различной степенью точности. Таким образом, например, при исследовании показателей
топливной экономичности требуется детальное описание характеристик двигателя и
трансмиссии, для оценки аэродинамических параметров необходимо максимально
подробно описать геометрию кузова исследуемого автомобиля, а для оценки вибронагруженности колесной машины потребуется представление автомобиля как многомассовой колебательной системы с подробным описанием упругих элементов подвески.
В настоящее время существует достаточно большое количество моделей, которые применяются для изучения колебательных процессов, протекающих в автомобиле [2-5]. Однако большинство из них предназначено для исследования вибрационных процессов в двухосных или трехосных (реже – многоосных) транспортных средствах. В то же время, отдельной и весьма важной задачей на практике является моделирование колебаний в седельных и прицепных автопоездах с учетом условий и режимов движения, а также исследование степени влияния прицепа/полуприцепа на характеристики всей системы (например, на показатель вибронагруженности водителя).
Это обусловлено широким использованием сочлененных автотранспортных средств,
так как они отличаются высокой экономической эффективностью при осуществлении
грузоперевозок: по экспертным оценкам применение автопоездов позволяет снизить
на 30% себестоимость транспортировки грузов на средних и больших дистанциях [6].7
Таким образом, цель данной работы – разработка и исследование компьютерной модели подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом для оценки вибронагруженности водителя в различных условиях и режимах движения, является весьма актуальной.
Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
1) Разработать математическую модель подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
2) На основе математической модели разработать компьютерную модель
подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
3) Исследовать вибронагруженность водителя в различных условиях и режимах движения.
хода. Под плавностью хода подразумевается совокупность свойств колесной машины, позволяющих двигаться с заданными эксплуатационными скоростями по дорожной поверхности без превышения общепринятых норм вибронагруженности.
Чрезмерная вибронагруженность водителя приводит к повышенной утомляемости, притупляет внимание, и в совокупности все это ведет к резкому снижению
производительности и качества труда, а регулярные интенсивные воздействия вибраций в дальнейшем могут негативно повлиять на здоровье и вовсе привести вибрационной болезни. С другой стороны, увеличивается вероятность различного рода аварий и дорожных происшествий, то есть в целом снижается безопасность. Даже, несмотря на то, что в последнее время снижению вибронагруженности водителя уделяется очень большое внимание, эта проблема остается нерешенной для ряда случаев,
так как постоянно возрастают мощности двигателей автомобилей, увеличиваются их
скорости движения. При этом в свою очередь происходит постоянное ужесточение
санитарных норм вибронагруженности.
Автопоезд представляет собой сложную многомассовую динамическую систему, состоящую из автомобиля-тягача и полуприцепа, в которой при движении по
дорогам с неровным и неоднородным покрытием возникают колебания, которые в
свою очередь отрицательно сказываются на элементах конструкции, водителе и перевозимом грузе. Негативное влияние вибрации можно уменьшить, правильно подобрав параметры подвески и прочих элементов вибрационной защиты автомобиля в
процессе стендовых, натурных и виртуальных испытаний [1]. В настоящее время
предпочтительным является последний вариант, поскольку он позволяет существенно снизить объем натурных испытаний, сократив сроки и стоимость проектирования, а также допускает применение эффективных методов численной оптимизации
для решения задачи поиска наилучших параметров конструкции. В то же время для
проведения виртуальных испытаний и предварительных расчетов необходимо нали6
чие точной и, вместе с тем, достаточно простой математической (компьютерной) модели, которая подробно описывает интересующие для исследования в системе процессы.
В современном автомобилестроении активно используются всевозможные методы компьютерного моделирования на всех этапах проектирования и дальнейшей
эксплуатации выпускаемой продукции. В то же время в зависимости от того какие
типы задач решаются на стадии конструирования и последующих этапах жизненного
цикла готового продукта требуется разработка разнообразных моделей, которые описывают интересующие инженера параметры и характеристики автомобиля с различной степенью точности. Таким образом, например, при исследовании показателей
топливной экономичности требуется детальное описание характеристик двигателя и
трансмиссии, для оценки аэродинамических параметров необходимо максимально
подробно описать геометрию кузова исследуемого автомобиля, а для оценки вибронагруженности колесной машины потребуется представление автомобиля как многомассовой колебательной системы с подробным описанием упругих элементов подвески.
В настоящее время существует достаточно большое количество моделей, которые применяются для изучения колебательных процессов, протекающих в автомобиле [2-5]. Однако большинство из них предназначено для исследования вибрационных процессов в двухосных или трехосных (реже – многоосных) транспортных средствах. В то же время, отдельной и весьма важной задачей на практике является моделирование колебаний в седельных и прицепных автопоездах с учетом условий и режимов движения, а также исследование степени влияния прицепа/полуприцепа на характеристики всей системы (например, на показатель вибронагруженности водителя).
Это обусловлено широким использованием сочлененных автотранспортных средств,
так как они отличаются высокой экономической эффективностью при осуществлении
грузоперевозок: по экспертным оценкам применение автопоездов позволяет снизить
на 30% себестоимость транспортировки грузов на средних и больших дистанциях [6].7
Таким образом, цель данной работы – разработка и исследование компьютерной модели подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом для оценки вибронагруженности водителя в различных условиях и режимах движения, является весьма актуальной.
Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
1) Разработать математическую модель подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
2) На основе математической модели разработать компьютерную модель
подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
3) Исследовать вибронагруженность водителя в различных условиях и режимах движения.
В ходе выполнения работы в среде MATLAB-SIMULINK была разработана и
исследована компьютерная модель подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом для
оценки вибронагруженности водителя в различных условиях и режимах движения.
Модель позволяет оценивать вибронагруженность водителя при движении автопоезда по дорогам с различным качеством и типом покрытия. Также модель позволяет
учитывать режимы движения – скорость тягача и массу груза в полуприцепе.
Работа содержит описание теоретической части, описание разработки математической и компьютерной моделей, а также их исследование.
Цель и задачи, поставленные в работе, выполнены.
В частности, выполнены следующие задачи:
1) Разработать математическую модель подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
2) На основе математической модели разработать компьютерную модель
подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
3) Исследовать вибронагруженность водителя в различных условиях и режимах движения.
В ходе работ был проведен обзор уже существующих математических моделей
автомобилей для оценки плавности хода. Большинство из них не в полной мере отображают работу виброзащитных систем колесной машины и пригодны для исследований вибронагруженности двухосных автомобилей.
При исследовании разработанной модели подвески тягача было показано, что
полуприцеп и его масса оказывают существенное влияние на вибронагруженность
всей системы. Так, например, уменьшение массы полуприцепа снижает плавность
хода автопоезда. Также была показана эффективность вторичных систем подрессоривания кабины, в результате которого вертикальные виброускорения на водительском
кресле оказались ниже, чем на тягаче.
Вибронагруженность водителя была оценена по установленным отраслевым
стандартам ОСТ 37.001.291-84 [15] и ОСТ 37.001.275-84 [16] при движении автопо55
езда по асфальтобетонной дороге, ровной булыжной дороге и булыжной дороге с выбоинами. В результате оценки вибронагруженности водителя в различных условиях
и режимах движения, разработанная компьютерная модель подвески автопоезда способна обеспечить требуемую плавность хода в широком диапазоне скоростей.
Разработанная модель может применяться для определения оптимальных параметров подвески и оценки вибронагруженности всей системы при проектировании
большегрузных автомобилей. Так для повышения плавности хода и снижения вибронагруженности водителя при движении тягача с незагруженным полуприцепом, разработанную модель можно применить для проектирования системы управления подвеской тягача, которая будет изменять упругие и диссипативные характеристики подвески в зависимости от степени нагрузки полуприцепа.
исследована компьютерная модель подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом для
оценки вибронагруженности водителя в различных условиях и режимах движения.
Модель позволяет оценивать вибронагруженность водителя при движении автопоезда по дорогам с различным качеством и типом покрытия. Также модель позволяет
учитывать режимы движения – скорость тягача и массу груза в полуприцепе.
Работа содержит описание теоретической части, описание разработки математической и компьютерной моделей, а также их исследование.
Цель и задачи, поставленные в работе, выполнены.
В частности, выполнены следующие задачи:
1) Разработать математическую модель подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
2) На основе математической модели разработать компьютерную модель
подвески тягача «КАМАЗ» с полуприцепом.
3) Исследовать вибронагруженность водителя в различных условиях и режимах движения.
В ходе работ был проведен обзор уже существующих математических моделей
автомобилей для оценки плавности хода. Большинство из них не в полной мере отображают работу виброзащитных систем колесной машины и пригодны для исследований вибронагруженности двухосных автомобилей.
При исследовании разработанной модели подвески тягача было показано, что
полуприцеп и его масса оказывают существенное влияние на вибронагруженность
всей системы. Так, например, уменьшение массы полуприцепа снижает плавность
хода автопоезда. Также была показана эффективность вторичных систем подрессоривания кабины, в результате которого вертикальные виброускорения на водительском
кресле оказались ниже, чем на тягаче.
Вибронагруженность водителя была оценена по установленным отраслевым
стандартам ОСТ 37.001.291-84 [15] и ОСТ 37.001.275-84 [16] при движении автопо55
езда по асфальтобетонной дороге, ровной булыжной дороге и булыжной дороге с выбоинами. В результате оценки вибронагруженности водителя в различных условиях
и режимах движения, разработанная компьютерная модель подвески автопоезда способна обеспечить требуемую плавность хода в широком диапазоне скоростей.
Разработанная модель может применяться для определения оптимальных параметров подвески и оценки вибронагруженности всей системы при проектировании
большегрузных автомобилей. Так для повышения плавности хода и снижения вибронагруженности водителя при движении тягача с незагруженным полуприцепом, разработанную модель можно применить для проектирования системы управления подвеской тягача, которая будет изменять упругие и диссипативные характеристики подвески в зависимости от степени нагрузки полуприцепа.