МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УСТОЙЧИВОСТИ УПРАВЛЯЕМЫХ  КОЛЁС АВТОМОБИЛЯ ПРОТИВ КОЛЕБАНИЙ

 

Methodology of experimental studies of the steered wheels of a vehicle stability against SHIMMI

 

Черненко С. М., Дяченко В. С. (КрНУ, г. Кременчуг, Полтавская обл., Украина)

Chernenko S., Dyachenko V. (Kremenchuk Mykhailo Ostohradskyi National University, Kremenchuk, Poltava region, Ukraine)

 

Создана экспериментальная установка для исследования колебаний управляемых колёс, вызванных гидравлическим усилителем. Разработана программа и методика исследований.

 

An experimental setup for the study of the steered wheels shimmy caused by hydraulic booster. A program of research and methodology.

 

Ключевые слова: колёсный управляющий модуль, колебания, частота, тензодатчик.

Key words: wheel steering module, shimmy, frequency, strain gauge transducer.

 

Колёсный управляющий модуль автомобиля включает рулевое управление, управляемый мост и управляемые колёса. Он обеспечивает изменение траектории движения транспортного средства и влияет непосредственно на безопасность движения. Установлено, что существуют два конструктивных источника, вызывающих колебания управляемых колёс вокруг шкворней, а именно – дисбаланс и гидравлический усилитель рулевого управления. Колебания, вызванные дисбалансом управляемых колёс, принято называть «шимми». Они возникают при движении автомобиля, а их частота соответствует частоте вращения колёс относительно осей цапф. Результаты проведенных исследований «шимми» широко представлены в работах отечественных и зарубежных учёных. Установлено значение предельного момента трения в подшипниках шкворневых узлов автомобилей, при которых колебания будут отсутствовать [1].

Что же касается колебаний, вызванных гидравлическим усилителем рулевого управления, то они могут возникать как при движении автомобиля, так и при повороте колёс на месте. Анализ работ, посвящённых исследованиям этих колебаний [2], [3], показал, что к настоящему времени процессы, сопровождающие их, изучены недостаточно, математические модели содержат много недостатков, что не позволяет на стадии проектирования учесть влияние упругих и демпфирующих характеристик рулевого управления с гидравлическим усилителем и шин, конструктивных параметров управляемого моста на устойчивость системы против колебаний.

Экспериментальные данные необходимы для исследования явлений, сопровождающих процесс колебаний управляемых колёс, вызванных гидравлическим усилителем, и условий, при которых возможны такие колебания. Для исследования колебаний управляемых колёс автомобиля, которые вызываются гидравлическим усилителем рулевого управления, на кафедре автомобилей и тракторов Кременчугского национального университета имени Михаила Остроградского была создана экспериментальная установка. Она состоит из стенда для исследования колебаний управляемых колёс (рис.1), стенда для определения момента инерции колеса относительно оси шкворня, самоцентрирующихся площадок, а также измерительной аппаратуры.

Рисунок 1- Схема стенда для исследования колебаний управляемых колёс:

1-рама; 2-рулевой механизм; 3-распределитель; 4-рулевое колесо; 5-бачок с маслом; 6-балласт; 7-задняя опора; 8-шарнир; 9-продольная рулевая тяга; 10 - самоцентрирующаяся площадка; 11-управляемое колесо; 12–передняя рессора;  13-насос гидроусилителя; 14-электродвигатель

 

Стенд состоит  из передней части рамы автомобиля КрАЗ-260 вместе с передней подвеской и ведущим управляемым мостом. Установленные в шкворневых узлах управляемого моста конические подшипники позволяют изменять величину момента трения за счёт их преднатяга. Задняя часть рамы опирается на специальную опору и закрепляется в ней шарнирно, что обеспечивает поворот при колебаниях управляемых колёс. Кроме того, задняя опора крепится к фундаменту анкерными болтами, что исключает сдвиг стенда во время проведения исследований. На раму установлено рулевое управление автомобиля КрАЗ-260 с гидравлическим усилителем. Привод насоса гидроусилителя осуществляется электродвигателем мощностью 5 кВт через ременную передачу с двумя передаточными числами 2,78 и 1,22. Силовой цилиндр расположен на балке управляемого моста. Нагрузка на управляемые колёса создаётся с помощью балласта, который устанавливается на раму. Максимальная нагрузка на управляемые колёса  составляла 54,5 кН.

Для исследования влияния характеристик эластичных шин на процесс колебаний управляемые колёса могут устанавливаться на специальные самоцентрирующиеся площадки 10, обладающие тремя степенями свободы. Высокая твёрдость поверхностей площадок  обеспечивает минимальный коэффициент трения в них.

Предусмотрена возможность исследования типа и производительности насоса на работу гидравлического усилителя рулевого управления. Жёсткость гидравлической системы может изменяться путём замены серийных резиновых шлангов на металлические трубки и на шланги с меньшей жёсткостью.

Измерительная установка включает: измерительную аппаратуру (усилитель 8АНЧ-7М, осциллограф К12-22, блок питания, соединительные кабели); первичные преобразователи (тензорезисторы), которые наклеивались на упругие основания (балочки, манометрические трубки, часть листа задней рессоры КрАЗ-260); стенд для тарировки датчиков давления; тарировочный динамометр с максимальным усилием до 1 кН; прибор ГАРО для тарировки угла поворота управляемого колеса; кварцевые часы, дающие отметки времени через 0,2 с. В настоящее время ведётся работа по установке аналогово-цифрового преобразователя и компьютера для фиксации параметров работы установки в режиме реального времени.

Угол поворота управляемого колеса измерялся с помощью тензометрической балочки, которая одним концом крепилась неподвижно к кронштейну на балке моста, а вторым концом опиралась на подвижный эксцентрик. При повороте колеса эксцентрик поворачивался относительно балочки и создавал деформацию, пропорциональную углу поворота. Таким же образом определялся и угол поворота сошки.

Перемещение золотника также измерялось с помощью тензобалочки, которая одним концом закреплялась к неподвижному кронштейну, а вторым концом через шток опиралась на подвижную втулку золотника. При перемещении этой втулки деформировалась балочка, а наклеенные на неё тензорезисторы изменяли своё сопротивление пропорционально перемещению золотника.

Датчики для замеров давления в силовом цилиндре были изготовлены из манометрических трубок манометров с допустимым давлением 50 МПа, на которые наклеивались тензорезисторы. Для уменьшения вибраций стандартные трубки укорачивались. Под действием давления жидкости трубка стремится выпрямиться, и её деформацию воспринимают тензорезисторы. Необходимость изготовления специальных датчиков давления вызвана тем, что стандартные датчики типа ТДД-2 из-за температурной нестабильности масла в гидроусилителе не обеспечивали постоянство нулевой отметки на осциллограмме.

Давление масла в напорной магистрали измерялось с помощью датчика АТМ-100. Он устанавливался непосредственно за насосом. Чувствительным элементом в нём является мембрана, на которую  были наклеены тензорезисторы. По принципу работы он аналогичен описанным выше манометрическим датчикам.

Методика экспериментальных исследований включает: определение моментов инерции управляемого колеса относительно оси шкворня, весового стабилизирующего момента, моментов трения в сочленениях рулевого управления, подшипниках шкворневого узла и в самоцентрирующихся подшипниках, упругих и демпфирующих характеристик механической и гидравлической систем рулевого управления, шин, а также экспериментальные исследования процессов, происходящих во время колебаний.

На осциллограмму одновременно фиксировались следующие параметры: давления в полостях силового цилиндра и насоса, угол поворота управляемого колеса, ход штока силового цилиндра, угол поворота сошки и перемещение золотника, время. В процессе проведения испытаний устанавливался угол продольного наклона шкворня 5030/ и 00. Для исключения влияния шины на колебания колесо устанавливалось на самоцентрирующийся подшипник с малым коэффициентом трения. Во время испытаний изменялись упругие и демпфирующие характеристики шины понижением давления воздуха в ней.

Упругость гидравлической системы рулевого управления изменялась сливом масла из гидравлической системы с последующей заливкой, что обеспечивало попадание воздуха в масло, и заменой серийных шлангов высокого давления на удлинённые шланги с относительно низким давлением.

Величина момента инерции колеса относительно оси шкворня устанавливалась верхней плитой самоцентрирующегося подшипника и дополнительными грузами, которые крепились шпильками к управляемому колесу.

Скорость записи измеряемых величин во время испытаний составила 60 мм/с, а время фиксировалось через 0,2 с. Такая комплексная запись регистрируемых параметров позволила провести качественный анализ процессов, происходящих во время колебаний управляемого колеса, получить необходимый объём информации для разработки математической модели колебаний, вызванных гидравлическим усилителем рулевого управления [4].

 

Список использованных источников

1.      Солтус А.П., Барун В.Н., Азаматов Р.А. Оптимальный момент трения в шкворневом узле // Автомобильная промышленность. – 1986. – №11. – С.22-25.

2.      Гинцбург Л.Л. Об автоколебаниях управляемых колёс автомобилей // Автомобильная промышленность. – 1962. – №7. – С.8 – 12.

3.      Миронов В.М. Автоколебания управляемых колёс автомобиля от наличия гидравлического усилителя рулевого управления // Автомобильная промышленность. – 1968. – №7. – с.17 – 19.

4.      Солтус А.П., Черненко С.М., Худиенко А.И.  Экспериментальные исследования колебаний управляемых колёс, вызванных гидравлическим усилителем рулевого управления // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. – Кременчуг: КГПИ, 2000. – Вып.1/2000 (8). – С.452 – 456.