МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ
1 Назначение и структура подвески автомобиля
Подвеска автомобиля предназначена для обеспечения виброзащиты водителя, пассажиров, перевозимого груза и конструктивных элементов автомобиля [1, 2]. Подвеска состоит из упругих и диссипативных элементов и направляющих устройств. Упругие элементы предназначены для преобразования энергии толчков и ударов, создаваемых неровностями дороги, в потенциальную энергию упругих элементов. Назначение диссипативных элементов – гашение колебаний. Они обеспечивают рассеивание энергии, превращая механическую энергию колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс в тепловую энергию. В качестве упругих элементов используют пружины, рессоры, торсионы, пневмобаллоны, гидропневматические цилиндры, резиновые элементы и др. Гашение колебаний осуществляется гидравлическими амортизаторами. Направляющие устройства определяют кинематические характеристики перемещения колес относительно рамы или кузова и обеспечивают передачу между ними усилий и моментов.
Кроме подвески автомобиля на комфортность условий водителя и пассажиров оказывают существенное влияние параметры и характеристики сидений, которые также содержат упругие и диссипативные элементы.
Моделирование подвески автомобиля осуществляется с целью определения оптимальных параметров упругих и диссипативных элементов на основе исследования их влияния на показатели плавности хода автомобиля и виброзащиты людей и механизмов.
2 Динамическая модель подвески автомобиля
Динамическая модель подвески учитывает инерционные свойства подрессоренных и неподрессоренных масс автомобиля, упругие и диссипативные свойства подвески и шин. При оценке вибронагруженности водителя и пассажиров учитываются упругие и диссипативные свойства сидений и часть массы человека, находящаяся на сиденье [1, 2].
Характерной особенностью виброзащитной системы автомобиля является слабая зависимость параметров колебаний частей подрессоренной массы кузова, находящихся над передним и задним мостами двухосного автомобиля. При выполнении условия
(1)
колебания этих частей оказываются независимыми, что дает основание рассматривать две отдельные колебательные системы, каждая из которых включает часть подрессоренной массы кузова и неподрессоренную массу соответствующего моста. Для большинства современных автомобилей условие (1) выполняется с погрешностью, не превышающей 10 %.
В формуле (1) приняты
следующие обозначения параметров:
– радиус инерции подрессоренной массы
относительно поперечной оси
,
проходящей через центр масс кузова, м;
– продольные координаты расположения
осей передних и задних колес автомобиля
относительно центра масс, м.
Динамическая модель подвески автомобиля с учетом отмеченной особенности приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Динамическая модель подвески автомобиля
Параметры элементов
динамической модели, относящихся к
переднему мосту, обозначены индексом
«1», а к заднему мосту – индексом «2»;
база автомобиля.
В динамической
модели выделены четыре массы:
– подрессоренные массы;
– неподрессоренные массы. Параметры
упругих элементов подвески обозначены
,
диссипативных элементов –
.
Упругие свойства шин учитываются
элементами с параметрами
,
а их диссипативные свойства –
.
Начало принятой системы координат
находится в центре масс кузова
.
Принято предположение, что направляющий
аппарат подвески допускает только
вертикальные перемещения подрессоренных
и неподрессоренных масс, поэтому каждая
из них имеет по одной степени свободы,
а их колебания характеризуются
координатами
,
.
Таким образом, каждая из выделенных
независимых колебательных систем имеет
две степени свободы и характеризуется
двумя независимыми координатами
.
Связь подрессоренных
масс
и
осуществляется посредством невесомого
(безынерционного) рычага
,
проходящего через центр
подрессоренной массы. В результате
обеспечивается возможность определения
параметров колебаний любой точки кузова
автомобиля, например, точки
.
В этой точке может быть закреплено
подрессоренное сиденье водителя или
пассажира, что дает возможность
исследования колебаний человека на
сиденье, обусловленных колебаниями
точки
.
На рисунке 2 приведен
фрагмент общей динамической модели
исследуемой виброзащитной системы
автомобиля, отображающий колебания
водителя или пассажира. Сосредоточенная
масса
отображает инерционные свойства человека
в совокупности с массой сиденья. Параметры
системы виброзащиты человека:
– коэффициент жесткости упругого
элемента сиденья;
– коэффициент демпфирования (сопротивления)
сиденья.
Рисунок 2 – Динамическая модель подсистемы виброзащиты водителя
Внешней средой
для моделируемой системы подвески
автомобиля является дорога. Воздействия
неровностей опорной поверхности дороги,
вызывающие колебания масс системы,
представлены функциями
и
.
Эти функции описывают геометрию
микропрофиля дороги.