Выбор и обоснование конструктивных параметров межколесного самоблокирующегося дифференциала легкового автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Специальность: 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕЖКОЛЕСНОГО САМОБЛОКИРУЮЩЕГОСЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ

Каверина Эвелина Витальевна

Ижевск 2008

Работа выполнена в Чайковском технологическом институте (филиал)

Ижевского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Умняшкин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Баранчик Виталий Павлович

кандидат технических наук, доцент

Зыков Сергей Николаевич

Ведущая организация ОАО «ИжАвто», г. Ижевск

Защита состоится «17» октября 2008 года в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7, ИжГТУ, корп. 7

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «__» сентября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Турыгин Ю.В.

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время в мире наблюдается устойчивая тенденция использования в автомобилях самоблокирующихся дифференциальных механизмов, разнообразие и назначение которых позволяет значительно улучшать эксплуатационные свойства транспортных средств.

Применение автомобильных межколёсных дифференциалов, вызвано необходимостью качения колес без скольжения на закруглениях дороги и неровной поверхности, при различии радиусов качения шин, предотвращением появления в трансмиссии циркулирующей мощности. Это повышает устойчивость и управляемость автомобилей и уменьшает износ шин и ходовой части транспортных средств. При этом с увеличением скоростей движения современных автомобилей, особенно легковых, большая разница между скоростями колес может привести к заносу и опрокидыванию, тем самым, уменьшая устойчивость и управляемость.

Движение в условиях, в которых возможно появление большой разницы между сцеплением ведущих колес, также ограничивает применение обычного дифференциала, позволяющего использовать только часть этого сцепления, значительно ухудшает проходимость автомобиля, и отдает преимущество «жесткой оси». Разрешить противоречия позволяет отключение дифференциала - его блокировка, способ осуществления и степень которой во многом определяют взаимосвязанное изменение эксплуатационных показателей транспортных средств, а именно проходимости, устойчивости, управляемости т.д.

Межколёсные самоблокирующиеся дифференциалы (МСД) за рубежом используются на легковых автомобилях различных классов. При этом в российском автомобилестроении их использование, как правило, рассматривается только в применении к специальному транспорту и грузовым автомобилям, в крайнем случае, в спортивных автомобилях. Сложившаяся ситуация объясняется недостаточностью научно-обоснованных рекомендаций по выбору наиболее рациональных конструктивных параметров и характеристик при создании МСД для заданного автомобиля и неполными исследованиями влияния таких дифференциалов на различные эксплуатационные свойства. Особенно мало работ изучающих влияние МСД на эксплуатационные свойства легковых автомобилей, которым, в отличие от грузовых транспортных средств, свойственно движение с высокими скоростями.

Целью диссертационной работы является анализ влияния межколёсного самоблокирующегося дифференциала на тягово-скоростные свойства, устойчивость и управляемость движения легкового автомобиля и разработка методики выбора и обоснования базовых конструктивных параметров и характеристик межколёсного самоблокирующегося дифференциала.

Для достижения цели диссертационного исследования в работе решаются следующие основные задачи:

- проведение анализа существующих конструкций МСД, выявление их основных преимуществ и недостатков;

- выбор и обоснование математической модели движения легкового автомобиля для теоретического исследования его устойчивости и управляемости;

- разработка алгоритма расчета показателей устойчивости и управляемости движения легкового автомобиля с учетом расположения ведущих мостов и работы МСД;

- разработка методов анализа влияния МСД на тягово-скоростные свойства легкового автомобиля;

- выполнение расчетных исследований по обоснованию конструктивных параметров МСД легкового автомобиля;

- разработка конструкции МСД для легкового автомобиля.

- проведение комплекса лабораторно-дорожных испытаний МСД легкового автомобиля.

Методы исследования. В работе использованы математические и экспериментальные методы исследования. Решение задач базируется на экспериментальных данных и известных теоретических положениях теоретической механики, теории автомобиля, эксплуатационных свойств и математического моделирования. Достоверность исследования обеспечена обоснованностью теоретических положений, экспериментальной проверкой их в лабораторных и дорожных условиях на экспериментальных образцах самоблокирующихся дифференциалов с использованием математической статистики и методов метрологии при оценке погрешностей.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель движения легкового автомобиля с МСД для теоретического исследования устойчивости и управляемости.

2. Методика анализа и алгоритм исследования влияния МСД на эксплуатационные свойства легкового автомобиля.

3. Расчетные исследования и обоснование конструктивных параметров МСД легкового автомобиля.

4. Комплекс лабораторно-дорожных исследований влияния МСД на основные эксплуатационные свойства легкового автомобиля ИЖ-21261.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Математическая модель движения автомобиля с МСД учитывает влияние коэффициента блокировки на устойчивость и управляемость автомобиля с передним и задним приводом.

2. Метод исследования влияния МСД на устойчивость и управляемость легковых автомобилей с передним и задним приводом реализован в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.

3. Обоснованы наиболее рациональные базовые конструктивные параметры и характеристики МСД для легковых автомобилей с передним и задним приводом.

4. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию МСД для легковых автомобилей с передним и задним приводом, учитывающие условия эксплуатации и требования, предъявляемые к эксплуатационным свойствам проектируемых или модернизируемых автомобилей.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют определить влияние МСД на тягово-скоростные свойства, устойчивость и управляемость легковых автомобилей и обосновывать конструктивные решения на начальной стадии их проектирования.

Реализация результатов. Методы анализа влияния МСД на эксплуатационные свойства легкового автомобиля использовались при создании опытных конструкций межколёсных дифференциалов для автомобиля ИЖ-21261. Методические разработки и результаты исследований используются в учебном процессе при изучении курса «Теория автомобиля» в Чайковском технологическом институте Ижевского государственного технического университета и в Удмуртском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IX региональной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития региона» (г. Чайковский, 2005 г.), на III Всероссийской научно-практической конференции «Транспортные системы Сибири» (г. Красноярск, 2005), на научно-методической конференции «Значение научной работы в процессе подготовки конкурентно способных специалистов для предприятий Удмуртской республики» (г. Воткинск, 2006 г.), на Всероссийской конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (г. Чайковский, 2006 г.), на Всероссийской конференции «Применение теории динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (г. Чайковский, 2007 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (г. Ижевск, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.).

Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ИжГТУ "Автомобили и металлообрабатывающее оборудование" и кафедре «Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института (филиал) ИжГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, одна принята в печать, в том числе две научные статьи в издании, рекомендуемом ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы из 107 наименований и приложения. Работа изложена на 211 листах машинописного текста, содержит 83 рисунка и 17 таблиц.

2. Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы, приведено краткое содержание работы по разделам.

В первой главе проведен общий обзор методик анализа управляемости и устойчивости движения легкового автомобиля, представлена классификация и анализ конструкций дифференциалов автотракторного типа. Особенно выделены работы по исследованию тягово-скоростных свойств, устойчивости и управляемости транспортных средств с учетом работы МСД, авторами которых являются А.Ю. Барыкин, С.В. Бахмутов, В.В. Ванцевич, А.Б. Гредскул, Н.В. Диваков, И.А. Дьяков, Н.И. Коротоношко, И.А. Левин, А.Х. Лефаров, А.С. Литвинов, И.С. Лунев, М.А. Носенков, В.А. Петрушов, И.С. Степанов, А.М. Хлебников, Е.А. Чудаков, С.А. Шуклин, О.К. Шахбазов, Б.Ф. Юдаков, З. Яскевич и другие. Выполненный критический анализ работ в области исследования влияния МСД на некоторые основные эксплуатационные свойства автомобиля позволил отметить следующее:

1. Возросшие требования к безопасности езды ведут к увеличению выпуска моделей легковых автомобилей с МСД, повышающих комфортабельность, безопасность и конкурентоспособность автомобиля.

2. Разнообразие условий эксплуатации автомобиля, специфика езды водителя требует применения дифференциалов с различными блокирующими свойствами.

3. Дифференциалы с возрастающим внутренним трением позволяют более полно реализовать тяговое усилие при движении в плохих дорожных условиях, но ухудшают устойчивость и управляемость при движении с большой нагрузкой в хороших дорожных условиях.

4. МСД улучшают проходимость и тяговые способности грузовых автомобилей.

5. Ряд работ содержит противоречивые выводы в отношении влияния МСД на устойчивость движения автомобиля, в особенности при исследовании движения по дорогам с низкими сцепными качествами.

6. Недостаточно исследовано влияние МСД на эксплуатационные свойства легковых автомобилей и отсутствуют методы анализа этого влияния на стадии проектирования.

7. Отсутствуют работы по исследованию влияния МСД на устойчивость и управляемость автомобилей с передним приводом.

Выявленные особенности и недостатки изучения влияния МСД на эксплуатационные свойства автомобилей позволили сформулировать и обосновать задачи исследования, необходимые для достижения поставленной цели работы.

Во второй главе обоснована необходимость изучения двух схем динамических моделей при исследовании управляемости и устойчивости легковых автомобилей с МСД, в которых отражено разное направление касательных реакций, в зависимости от привода на передние и задние колеса, что позволяет учесть изменение величин продольных и поперечных реакций, действующих на каждое колесо и вызванное этим изменение углов увода, а также возможность их влияния на поворачиваемость автомобиля. Показана возможность существенной разницы выходных параметров поворота для переднеприводных и заднеприводных автомобилей при неизменных углах поворота управляемых колес и практически постоянной скорости движения, если по каким-либо причинам увеличивается и уменьшается тяговая сила на колесах. На основе проведенного анализа существующих математических моделей движения автомобиля для исследования влияния параметров и характеристик МСД на управляемость и устойчивость была принята четырехмассовая модель, включающая в себя подрессоренную массу m₀, две передние m₁, m₂ и одну заднюю m₃₄ неподрессоренные массы, в двух вариантах - с приводом на задние и передние колеса (рис.1).

При этом принято, что центры неподрессоренных передних масс совпадают с центрами колес, а центр задней неподрессоренной массы находится на пересечении оси задних колес с плоскостью симметрии автомобиля. Подвижная система координат OXYZ зафиксирована в центре масс автомобиля и ее линейные и угловые перемещения связаны с соответствующими перемещениями подрессоренной массы. Принято, что в начальный момент оси подвижной и неподвижной систем координат - О'X'Y'Z' совпадают, причем плоскости XOY и X'O'Y' параллельны поверхности дороги; плоскость симметрии автомобиля - плоскость XOZ; автомобиль движется по ровной горизонтальной поверхности, в результате чего вертикальные перемещения отсутствуют. Таким образом, положение неподрессоренной массы в пространстве характеризуется пятью обобщенными координатами: перемещением вдоль осей Х и Y; углом поперечного крена р, углом продольного крена r и углом поворота автомобиля относительно вертикальной оси ш.

Для описания движения принятых расчетных моделей, как систем взаимосвязанных масс, использовались уравнения Лагранжа второго рода в независимых координатах. При установке связей между скоростями перемещений подрессоренных и неподрессоренных масс, перераспределения нормальных реакций в результате крена подрессоренных масс использовались производные подвески, позволяющие не уменьшая числа принятых степеней свободы упростить математическую модель. В итоге были получены две системы уравнений Лагранжа, общая запись которых имеет вид:

(1)

где А - матрица коэффициентов инерции; В - матрица демпфирования; С - матрица жесткости; D - матрица обобщенных сил, q - вектор-столбец пяти обобщенных координат системы х, у, r, р, ш; - вектор-столбец обобщенных скоростей системы; - вектор-столбец обобщенных ускорений системы;

Q - вектор-столбец внешних сил.

Реакция опорной поверхности дороги на действие колеса была представлена в виде трех составляющих силы: продольной - Х_i, поперечной - Y_i, нормальной - Z_i и стабилизирующего момента M_дi. Для решения дифференциальных уравнений, описывающих движение автомобиля, вычислялось перераспределение их значений в зависимости от действия внешних сил, изменения условий движения и работы МСД, включение и отключение которого, т.е. его «разблокировка» и «блокировка» определяется отношением между моментами на отстающем и забегающем колесе и характеризуется коэффициентом блокировки:

, (2)

где М_отст - момент, подводимый от дифференциала к отстающей полуоси, т. е. к полуоси, угловая скорость которой меньше угловой скорости дифференциала;

М_заб - момент, подводимый от дифференциала к забегающей полуоси, т. е. к полуоси, угловая скорость которой больше угловой скорости дифференциала;

М_тр - суммарный момент внутреннего трения в дифференциале.

Момент трения определяется конструкцией дифференциала и является переменной величиной, которую можно рассматривать как сумму двух составляющих, из которых одна (М_Н) не зависит от передаваемого крутящего момента, а другая пропорциональна передаваемому крутящему моменту М₀. Следовательно, момент трения дифференциала можно определить как:

, (3)

Для дифференциалов с повышающим трением k>0, с постоянным трением k=0 и с убывающим трением k<0.

Для сравнения различных типов и выбора наиболее рациональных конструктивных параметров МСД в работе предложена методика анализа влияния величины коэффициента блокировки и параметров характеристики трения дифференциалов М_Н и k на реализацию тяговых усилий на ведущих колесах автомобиля. Для этого предлагается:

1. Определить и проанализировать максимально реализуемый дифференциалами тяговый момент при различных коэффициентах сцепления колес с дорогой:

, (4)

где М₁ - меньший момент (на забегающем колесе); М₂ - больший момент (на отстающем колесе); G_к - вес автомобиля, приходящийся на одно колесо (сцепной вес); ц_заб - коэффициент сцепления забегающего колеса с дорогой; r_д - динамический радиус колеса.

2. Оценивать влияние характеристик трения дифференциала на тяговое усилие в случае внезапного уменьшения сцепления с дорогой одного из двух ведущих колес по величине относительного тягового усилия F_Т/F_Т(-0):

(5)

Здесь (6), , (7)

где F_Т(-0) - величина тягового усилия в момент, непосредственно предшествующий внезапному падению сцепления с дорогой одного из ведущих колес; ц₂ - меньший коэффициент сцепления ведущего колеса с дорогой; М_е - крутящий момент двигателя; з - к.п.д. трансмиссии; i₀, i_к, - передаточные числа главной передачи и коробки передач на к-ой передаче; F_c - сила сопротивления движению автомобиля; G_а - вес автомобиля; I_М, I_к - суммарный момент инерции вращающихся частей двигателя и колес соответственно; В - постоянный коэффициент характеристики двигателя.

В третей главе представлены результаты теоретических исследований влияния конструкций МСД на реализацию тяговых усилий, управляемость и устойчивость легковых автомобилей. В качестве основного объекта исследования диссертационной работы выбран заднеприводный легковой автомобиль ИЖ-21261 (ЗП) и возможная его конструкция с передним приводом (ПП).

При определении влияния МСД на управляемость и устойчивость прямолинейного движения рассматривалось равномерное движение автомобиля по асфальту со скоростью 27,8 м/с при фиксированном рулевом управлении в условиях равноценного сцепления колес. Внешнее возмущение задавались боковой силой Р_Y, приложенной в центре масс автомобиля, и моментом М_Y, действующим на автомобиль в горизонтальной плоскости. В различных вариантах величины Р_Y и М_Y варьировались по величине и направлению. Расчеты выполнялись для автомобиля с серийным дифференциалом и блокированным приводом для конструкций автомобилей с задним приводом и передним приводом.

Изменение абсолютных значений боковой силы, возникающей на управляемых колесах, и поведение автомобиля, отраженное изменением во времени угла ш поворота автомобиля относительно оси Z, при Р_Y=-1000 Н; М_Y=-500 Н представлено на рис. 2. В целом расчетный диапазон внешних возмущений составлял РР_YР= 1000ч2000 Н и М_Y=-500ч500 Нм.

По результатам расчетов можно отметить, что блокировка дифференциала при всех соотношениях возмущающих воздействий оказывает положительное влияние на устойчивость движения автомобиля. Для автомобиля с задним блокированным приводом угол поворота автомобиля относительно оси Z меняется незначительно. Для переднеприводного автомобиля изменение угла ш при блокированном приводе происходит медленнее и на меньшую величину, чем при дифференциальном приводе. При этом изменение значения абсолютных боковых сил на управляемых колесах для автомобиля с дифференциальным приводом происходит более резко, чем у блокированного привода. Таким образом, блокирующие свойства межколёсного дифференциала автомобиля с передним приводом оказывают более значимое влияние на устойчивость равномерного движения по дорогам с высоким коэффициентом сцепления.

Для оценки влияния блокированного привода на устойчивость прямолинейного движения автомобиля в случае неравноценного сцепления ведущих колес был проведен расчет параметров движения при переменой степени блокирования дифференциала и возможных и наиболее вероятных соотношениях коэффициентов сцепления, определенных на основе одного типа дорожного покрытия серединами верхнего и нижнего интервалов. На рис. 3 показана зависимость максимально возможного подводимого крутящего момента от величины коэффициента блокировки, полученная для трех выше указанных соотношений коэффициентов сцепления, охватывающих одновременно 1, 2 и 3 передачи для автомобиля с задним приводом.

Как показали расчеты, в условиях высоких коэффициентов сцепления (кривая 3) увеличение коэффициента блокировки значительно повышает проходимость автомобиля по сравнению с серийным дифференциалом (К_б=1), не приводя к потере устойчивости движения в рассматриваемых пределах. При движении по грунтовому покрытию (кривая 2) появление заноса автомобиля наблюдается при К_б=2,7 и дальнейшее увеличение подводимого крутящего момента ограничивается появлением значительного проскальзывания ведущих колес и резким снижением характеристик увода. При движении по дорогам с низким коэффициентом сцепления (кривая 1) аналогичное явление наблюдается при К_б=2,5 и является определяющим, так как соответствует наихудшим дорожным условиям.

При оценке установившегося криволинейного движения автомобиля на асфальте исследовалось движение с постоянной скоростью. При этом в качестве возмущения задавался равномерный поворот управляемых колес из нейтрального положения. В расчет вводились экспериментальные характеристики дифференциалов: «Паур-лок», ZF-60%, ZF-30% и серийного дифференциала, отличающиеся между собой значениями коэффициентов блокировки. Расчетные кривые чувствительности автомобиля к управлению при различных блокирующих свойствах межколёсного дифференциала, соответствующих движению по асфальту со скоростью 11,1 м/с, показаны на рис. 4.

Результаты вычисления показывают, что дифференциалы с разными коэффициентами блокировки оказывают неоднозначное влияние на характер установившегося движения.

В зоне относительно малых боковых ускорений у автомобилей с задним приводом (a_y<4,5 м/с²) дифференциалы с большими коэффициентами блокировки снижают чувствительность автомобиля к управлению. В тоже время при относительно больших боковых ускорениях (a_y>4,5 м/с²) рост коэффициента блокировки приводит к значительному увеличению чувствительности автомобиля к управлению, т.е. к повышению склонности автомобиля к заносу. Следовательно, для автомобиля с задним приводом проявление блокирующих свойств межколёсного дифференциала в рассматриваемых условиях ведет к сужению границ устойчивости движения автомобиля.

Для автомобиля с передним приводом в зоне относительно малых боковых ускорений (a_y<4,5 м/с²) использование МСД несколько снижает чувствительность к управлению. При относительно больших боковых ускорениях (a_y>4,5 м/с²) у автомобиля с серийным дифференциалом можно отметить резкое увеличение чувствительности к управлению, т.е. резкое повышение склонности автомобиля к заносу. При этом МСД в этих же условиях незначительно повышают чувствительность автомобиля к управлению при малых значениях коэффициентов блокировки и значительно при больших значениях. Следовательно, для автомобиля с передним приводом проявление блокирующих свойств межколёсного дифференциала в рассматриваемых условиях ведет к расширению границ устойчивости движения автомобиля до определенного значения коэффициента блокировки.

Результаты расчетов устойчивости установившегося криволинейного движения автомобиля с самоблокирующимся дифференциалом на поверхностях с низкими сцепными качествами, оцениваемые по характеру изменения угловой скорости поворота автомобиля и бокового ускорения центра масс, показали, что проявление блокирующих свойств дифференциала также неоднозначно и зависит от условий движения.

Таблица 1. Результаты исследования устойчивости неустановившегося движения

Дифференциал	Максимальное значение , рад/с	Установившееся значение , рад/с	Заброс	tуст, с	, рад/с2
при боковом ускорении порядка 4 м/с2
серийный, ЗП	0,344	0,256	34,4	3	0,62
ZF-30%, ЗП	0,335	0,244	37,3	2,7	0,61
Паур-лок, ЗП	0,326	0,228	42,9	2,6	0,59
ZF-60%, ЗП	0,316	0,219	44,3	2,6	0,57
серийный, ПП	0,258	0,230	12,2	2,6	0,52
ZF-30%, ПП	0,261	0,215	21,4	2,65	0,61
Паур-лок, ПП	0,269	0,220	22,2	2,8	0,56
ZF-60%, ПП	0,28	0,226	23,8	2,9	0,51
при боковом ускорении порядка 5,9 м/с2
серийный, ЗП	0,476	0,306	55,6	5	0,87
ZF-30%, ЗП	0,475	0,328	44,8	4,7	0,70
Паур-лок, ЗП	0,474	0,343	38,2	4,6	0,65
ZF-60%, ЗП	0,474	0,345	37,4	4,5	0,65
серийный, ПП	0,354	0,280	26,4	4,8	0,43
ZF-30%, ПП	0,359	0,275	30,5	4,7	0,46
Паур-лок, ПП	0,365	0,271	34,7	4,6	0,47
ZF-60%, ПП	0,372	0,269	38,3	4,6	0,47

В процессе исследования устойчивости неустановившегося криволинейного движения автомобиля с самоблокирующимся дифференциалом рассматривался характер изменения угловой скорости поворота автомобиля относительно вертикальной оси Z при начальном прямолинейном движении на поверхности с высокими сцепными качествами со скоростью 16,7 м/с. Ступенчатый поворот рулевого колеса задавался таким образом, чтобы боковое ускорение автомобиля в конце переходного процесса составляло порядка 4,0 и 5,9 м/с². Расчетная скорость поворота управляемых колес задавалась равной 0,8 рад/с.

Результаты расчета показывают (табл. 1), что блокирующие свойства межколёсного дифференциала оказывают различное влияние на устойчивость движения автомобиля в зависимости от величины возмущающего воздействия.

Для автомобиля с передним приводом с увеличением значения бокового ускорения, увеличение заброса и уменьшение установившегося значения угловой скорости автомобиля (в зависимости от роста К_б) сохраняется, а длительность переходного процесса, которая первоначально увеличивалась, начинает уменьшаться. Для автомобиля с задним приводом с ростом значения бокового ускорения сохраняется уменьшение длительности переходного процесса и углового ускорения автомобиля (в зависимости от увеличения К_б) и наблюдается смена повышения величины заброса и уменьшение установившегося значения угловой скорости на противоположные зависимости.

На основании формулы (4) в работе построены графики максимально реализуемого тягового момента для различных типов и характеристик межколёсных дифференциалов при различных коэффициентах сцепления для автомобиля ИЖ-21261 (рис.5). Анализ графиков позволил определить характеристику дифференциала, который более полно реализует тяговое усилие в плохих дорожных условиях и в то же время не вносит ухудшения КПД и снижения управляемости и устойчивости, как при движении с большими нагрузками в хороших сцепных условиях, так и при движении с малыми нагрузками и в накат, а также при движении на дорогах с малыми коэффициентами сцепления. Такой дифференциал для легкового автомобиля может характеризоваться линией ОАВ. На участке ОА дифференциал работает с возрастающим внутренним трением, на участке АВ - с убывающим внутренним трением, в точке В дифференциал не имеет блокирующих свойств.

На основании (5) в работе построены графики относительного тягового усилия F_Т(t)/F_Т(-0) для



при нескольких значениях k в случае внезапного уменьшения сцепления с дорогой одного из ведущих колес по параметрам автомобиля ИЖ-21261. Одна из построенных зависимостей (5) представлена на рис. 6, где показано, что в случае движения на первой передаче, М_Н=0 и k<0,5 при полном исчезновении сцепления с дорогой одного из ведущих колес тяговое усилие уменьшается скачком до величины 7ч41%, а затем в течении 1ч2 секунд падает до величины меньшей 2ч9% от его значения до момента падения сцепления с дорогой одного ведущего колеса. В случае отсутствия трения в механизме дифференциала тяговое усилие в течении 1 с падает до значения равного ?2% от его значения до момента падения сцепления.

Анализ всех построенных зависимостей показал, что с увеличением параметров М_Н и k тяговое усилие увеличивается, и, начиная с некоторых их значений, оно сохраняется даже при потере сцепления с дорогой одного ведущего колеса. Вместе с тем неоправданно большие значения параметров М_Н и k могут привести к тому, что дифференциал будет блокирован постоянно, что нежелательно, т.к. ухудшает управляемость и устойчивость автомобиля.

Значение параметров М_Н и k характеристики трения дифференциала можно выбрать из условия трогания автомобиля при сцеплении с дорогой только одного ведущего колеса, потребовав, чтобы тяговое усилие было не меньше, чем сопротивление качению автомобиля, но не превосходило величины тягового усилия, предельного по сцеплению с дорогой. Таким образом, в работе было получено условие, которому должны удовлетворять параметры М_Н и k характеристики трения дифференциала:

, (8)

На рис. 7 представлены полученные зависимости для автомобиля ИЖ-21261.

Анализ всех результатов исследования влияния МСД на управляемость, устойчивость и тяговые свойства легкового автомобиля показал, что в зависимости от характера движения на дорогах с различным коэффициентом сцепления необходимо получение переменных блокирующих свойств в зависимости от внешних условий и параметров работы дифференциала, что было отражено в разработанных конструкциях МСД для ИЖ-21261.

В четвертой главе представлены результаты стендовых и лабораторно-дорожных испытании МСД с дисковыми муфтами трения, проведенных на базе предприятия ОАО «ИжАвто», целью которых было определение влияния различных типов МСД на основные эксплуатационные показатели легкового автомобиля типа ИЖ-21261 в сравнении с серийным дифференциалом. При этом дополнительно снимались рабочие характеристики и определялись работоспособность и долговечность самоблокирующихся дифференциалов.

Испытания проводились с шестью дифференциалами повышенного трения дискового типа:

· опытными самоблокирующимися дифференциалами, конструкции которых выполнены взаимозаменяемыми с серийным дифференциалом - убывающего внутреннего трения ИЖ-УТ (рис.8); возрастающего внутреннего трения ИЖ-ПТ-I, ИЖ-ПТ-II; переналаживаемым дифференциалом, позволяющим получить характеристику как возрастающего, так и убывающего внутреннего трения ИЖ-ПТ-III (рис. 9).

· близкими к ним по конструкции самоблокирующимися дифференциалами возрастающего трения зарубежного производства - «Цанрад фабрик» с 30% и 60% блокировки (рис. 10, а) и «Паур-лок» фирмы «Борг-уорнер» (рис. 10, б).

Анализ характеристик внутреннего трения, полученных на стенде SAK-6670 последовательной установкой всех испытываемых дифференциалов в одном и том же заднем мосту, показал, что блокирующие свойства дифференциалов определяются разницей крутящих моментов на полуосях. У МСД с возрастающим внутренним трением эта разница с увеличением тягового усилия автомобиля возрастает, а у МСД с убывающим внутренним трением - уменьшается. При этом все дифференциалы с возрастающим внутренним трением имеют начальный момент блокировки в пределах 60-160 Нм, необходимый для наиболее надежного трогания автомобиля с места при большой разнице коэффициентов сцепления ведущих колес.

Испытания на долговечность, определяемой временем работы до появления задира на фрикционных дисках при ступенчато-возрастающей нагрузке, показали, что сульфоцианированные фрикционные диски обладают наибольшей износостойкостью, превышающей в 2-4 раза износостойкость стальных и металлокерамических дисков.

В процессе лабораторно-дорожных испытаний определялось влияние степени блокировки дифференциала на величину минимального радиуса поворота автомобиля; выявлялся характер распределения крутящих моментов по полуосям с различными типами МСД в сравнении с серийным при движении автомобиля на дорогах с поворотами и подъемами при различных коэффициентах сцепления ведущих колес; определялось влияние МСД на износ шин, топливную экономичность, проходимость, устойчивость и управляемость. Для проведения испытаний применялось специализированное оборудование ОАО «ИжАвто». Суммарная погрешность испытательного оборудования при замерах не превышала 3-5%.

Результаты испытания «скатывание» автомобиля с горки высотой 70 см в режиме наката с выключенными передачами показали, что наименьшее расстояние скатывания у автомобиля с МСД «Паур-лок» по сравнению с серийным дифференциалом, наибольшее - у автомобиля с МСД ИЖ-УТ по сравнению с дифференциалами возрастающего трения - «ZF-30%», «ZF-60%» и ИЖ-ПТ-II, но несколько меньше по сравнению с серийным дифференциалом.

Испытание по определению характера распределения крутящих моментов по полуосям ведущего моста при различных коэффициентах сцепления проводилось на участках дорог с сухим асфальтовым покрытием, имеющих подъемы - 0⁰, 3⁰, 5⁰ и 7⁰ при установившемся режиме для условий когда: оба задние колеса на сухом асфальте; левое заднее колесо на сухом асфальте, а правое - на стальном листе, политым маслом.

Анализ графических зависимостей моментов М=f(t) показал, что при движении по асфальту на различных подъемах у автомобиля со всеми типами МСД развиваются высокие крутящие моменты, а при движении по асфальту с неоднородным коэффициентом сцепления наблюдается резкое падение развиваемых моментов. При этом наибольших тяговых усилий достигает автомобиль с МСД, имеющими наиболее крутые характеристики внутреннего трения: «ZF-60%» и «Паур-лок», величина которых приближается к тяге автомобиля с «жесткой осью», а наименьшие тяговые усилия у серийного автомобиля.

Испытания по определению влияния конструкции дифференциала на износ шин, проводимые на горизонтальной площадке с асфальтовым покрытием по трассе типа «смешанная восьмерка» с полной нагрузкой в кузове, показали, что наименьший износ шин у автомобиля, оборудованного МСД убывающего внутреннего трения, который в среднем на 7,2% меньше износа шин автомобиля, оборудованного серийным дифференциалом. Износ шин автомобиля с МСД возрастающего трения ИЖ-ПТ-II и ZF по сравнению с серийным дифференциалом больше соответственно на 6,1% и 12,7%.

Проходимость автомобилей определялась средним временем движения по грунтовой дороге, имевшей труднопроходимые участки, глинистые подъемы и спуски, большие выбоины, пахоту, мокрый снег с грязью. Испытания показали, что автомобили, оборудованные МСД, не имеют ощутимого преимущества в проходимости по сравнению с автомобилем, оборудованным серийным дифференциалом. Это объясняется тем, что на всем протяжении трассы коэффициент сцепления под левым и правым ведущими колесами был практически одинаков и автомобиль не получал дополнительной тяги за счет блокировки. В то же время было отмечено, что МСД по сравнению с серийным дифференциалом обеспечивают выезд застрявшего автомобиля за более короткий срок и без посторонней помощи.

В результате замеров расхода топлива полностью нагруженного автомобиля, проходившего трассу трека автозавода 30 раз с каждым видом дифференциала на всех режимах работы двигателя, установлено, что наименьшим эксплуатационным расходом топлива обладает автомобиль, оборудованный серийным дифференциалом. Установка на автомобиль МСД убывающего и возрастающего трения, увеличивает эксплуатационный расход топлива соответственно на 0,16 л/100км и на 0,28 л/100км.

Испытания по определению устойчивости и управляемости автомобиля, оборудованного МСД, проводились в летний период при температуре воздуха 18..23⁰ С на дороге с ровным сухим асфальтобетонным покрытием и в зимний период при температуре -15..-5⁰ С на участке с ровной заснеженной, укатанной до льда поверхностью, включая в себя испытания: «вход в поворот» и «объезд» в аварийных режимах движения. Выход автомобиля из полосы движения определялся по наезду на резиновые конуса, расставленные в соответствии с разметкой площадок испытаний. Скорость автомобиля определялась с помощью специального испытательного оборудования.

Дополнительно проводилось испытание «пробег» в эксплуатационных режимах движения на дорогах общего пользования. Скорость движения была максимально возможной по условиям безопасности. На основании анализа результатов испытаний, проведенных в летнее и зимнее время, можно делать следующие выводы:

- наиболее оптимальными характеристиками по управляемости и устойчивости обладает автомобиль с дифференциалами убывающего трения при М_ф= 225ч300 Нм или К_б =1,78ч2,2;

- автомобиль с МСД убывающего трения при М_ф=400 Нм (К_б=3) имеет неудовлетворительную устойчивость и управляемость вследствие высокого момента сопротивления повороту автомобиля и повышенного усилия на руле. На криволинейных участках дорог с загрязненным или сырым покрытием автомобиль с таким дифференциалом ведет себя неустойчиво из-за высокой склонности к заносу задней оси;

- показатели управляемости автомобиля ИЖ-21261, оборудованного МСД всех испытанных типов, на дорогах с низким коэффициентом сцепления ниже, чем у серийного автомобиля, требуют специфических приемов вождения;

- на основании накопленного опыта по эксплуатации автомобиля ИЖ-21261 с МСД убывающего и возрастающего трения, на дорогах с низким коэффициентом сцепления следует отметить, что удовлетворительные показатели управления могут быть получены путем подбора интенсивности нарастания момента блокировки с увеличением разности угловых скоростей ведущих колес.

В целях оценки точности составленной модели проводилось сравнение экспериментальных данных исследования влияния самоблокирующихся дифференциалов на устойчивость автомобиля с результатами теоретических расчетов, моделирующих испытание «вход в поворот». Теоретическим исследованием определялось критическое значение скорости движения автомобиля с задним приводом, оборудованным МСД с коэффициентами блокировки К_б=1,78; 2,2; 3 на поверхности с высокими сцепными качествами. Максимальная погрешность определения критической скорости входа в поворот, вызывающей занос и снос автомобиля составила 8,75% и 12,35% соответственно.

Основные результаты и выводы

1. Разработанная математическая модель учитывает особенности движения легкового автомобиля с передним и задним приводом и алгоритм исследования влияния МСД на его устойчивость и управляемость.

2. Блокирующие свойства МСД оказывают более значимое положительное влияние на прямолинейное движение легкового автомобиля с передним приводом и увеличивают границы его устойчивости при установившемся криволинейном движении.

3. На дорогах с низким коэффициентом сцепления необходимо ограничение коэффициента блокировки МСД легкового автомобиля до значения 2,5 и необходим подбор интенсивности нарастания момента блокировки с увеличением разности угловых скоростей ведущих колес.

4. Влияние блокирующих свойств МСД при установившемся криволинейном движении на дорогах как с низким, так и с высоким коэффициентом сцепления для автомобиля с задним приводом ведет к сужению границ устойчивости движения, а для автомобилей с передним приводом - к их расширению. Влияние блокировки дифференциала на устойчивость неустановившегося криволинейного движения легкового автомобиля неоднозначно и определяется величиной возмущающего воздействия. При этом высокое значение коэффициента блокировки для всех условий криволинейного движения однозначно снижает управляемость и устойчивость легкового автомобиля

5. МСД с возрастающим внутренним трением, позволяя более полно реализовать тяговое усилие при движении в плохих дорожных условиях, имеет излишне большие блокирующие свойства при движении с большой нагрузкой на поворотах. МСД с убывающим внутренним трением необходим для автомобилей с высокими тягово-скоростными качествами, так как позволяет двигаться на поворотах с максимальной скоростью и его характеристика при этом приближается к характеристике обычного дифференциала. Вместе с тем такой дифференциал в меньшей степени способен перераспределять моменты по полуосям и не позволяет реализовать максимально возможный момент при достаточно хорошем сцеплении одного из колес. легковой автомобиль дорожный математический

6.Предложенная комбинированная характеристика МСД позволит более полно реализовать тяговое усилие в плохих дорожных условиях, не снижая управляемости и устойчивости движения по дорогам с высоким и малым коэффициентом сцепления.

7.Стендовые и лабораторно-дорожные испытания различных типов МСД подтвердили теоретические результаты их влияния на эксплуатационные свойства легкового автомобиля и показали, что МСД улучшает проходимость автомобиля, увеличивает скорость его движения, но при возрастающем внутреннем трении несколько увеличивает износ шин и расход топлива. МСД с убывающим внутренним трением по износу практически одинаков с серийным дифференциалом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Ефимов, И.Н. K вопросу об оптимизации многопараметрических задач / И.Н. Ефимов, Э.В. Каверина // Интеллектуальные системы в производстве: Период. науч.-практ. журн. / Отв. за вып. В.А. Тененев. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. - №2 - С. 124-132.

2. Бибиков, М.Н. К вопросу повышения эффективности эксплуатации автомобиля / М.Н. Бибиков, Т.П. Чепикова, Э.В. Каверина // Социально-экономические проблемы развития региона: Сб. докл. регион. науч.-практ. конф. / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. И.Н Ефимова. - Чайковский: Изд-во ЧТИ (филиал) ИжГТУ, 2005. - С. 107-112.

3. Каверина, Э.В. К вопросу разработки математической модели межколёсных дифференциалов / Э.В. Каверина, Т.П. Чепикова // Транспортные системы Сибири: Материалы третей Всероссийской научно-практической конференции. - Красноярск: ИПЦКГТУ, 2005. - С. 90-92.

4. Умняшкин, В.А. Самоблокирующиеся дифференциалы с повышенным внутренним трением / В.А. Умняшкин, В.А. Буторин, Э.В. Каверина // Значение научной работы в процессе подготовки конкурентно способных специалистов для предприятий Удмуртской республики: Сб. тр. науч.-метод. конф. Воткинского филиала ИжГТУ (10 -11 мая 2006 г.). - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2006. - С. 112-115.

5. Умняшкин, В.А. Дифференциальные передачи с односторонними динамическими связями / В.А. Умняшкин, В.А. Буторин, Э.В. Каверина // Вестник ИжГТУ. Период. науч.-практ. журн. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. - 2006. - №3 - С. 34-37.

6. Умняшкин, В.А. Анализ динамических свойств дифференциальных устройств / В.А. Умняшкин, Т.П. Чепикова, Э.В. Каверина // Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники: Сб. докладов Всероссийской конференции; Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. И.Н Ефимова, к.п.н., доц. С.Ж. Козловой. - Ижевск, 2007. - С. 159-167.

7. Каверина, Э.В. Устойчивость автомобиля // Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки, технологии и техники: Сб. докладов второй Всероссийской конференции / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. И.Н. Ефимова, к.п.н., доц. С.Ж. Козловой. - Екатеринбург-Ижевск, - Изд-во института экономики УрО РАН, 2007. - С. 165-170.

8. Каверина, Э.В. Экспериментальное исследование влияния самоблокирующихся дифференциалов на эксплуатационные свойства легкового автомобиля // Проблемы и перспективы автомобилестроения в России: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. - 2007. - С. 95-100.

9. Умняшкин, В.А. Выбор параметров межколесного самоблокирующегося дифференциала повышенного трения / В.А. Умняшкин, Э.В. Каверина // Современное состояние и инновации транспортного комплекса: материалы международной научно-технической конференции / Под общ. ред. канд. техн. наук, проф. Б.С. Юшкова. - Пермь: Изд-во ПГТУ. - 2008. - С. 141-145.

10. Умняшкин, В.А. Влияние межколесных самоблокирующихся дифференциалов на устойчивость и управляемость легковых автомобилей / В.А. Умняшкин, Э.В. Каверина // Вестник ИжГТУ. Период. науч.-практ. журн. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. - 2008. - №4 - (в печати).

Размещено на Allbest.ru