СПОСОБ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ НА БАРАБАНАХ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, ЭКВИВАЛЕНТНОГО ПО УРОВНЮ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТ СЛУЧАЙНОГО ПРОФИЛЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ДОРОГ
METHOD FOR REPRODUCING DYNAMIC IMPACT ON A VEHICLE EQUIVALENT IN IMPACT LEVEL FROM A RANDOM PROFILE OF TEST ROADS

Изобретение относится к испытаниям транспортных средств на стенде с беговыми барабанами и касается воспроизведения на нем динамического воздействия профиля испытательных дорог с твердым покрытием и грунтовых дорог разбитых (с колеями и выбоинами) в сухом или замерзшем состоянии на испытываемое транспортное средство (ТС) для оценки его надежности, в частности, безотказности.
В соответствии с ОСТ 37.001.472-88 [1] проводят пробеговые испытания ТС для оценки их безотказности по дорогам с усовершенствованными покрытиями (асфальтобетон, цементобетон), включая городские и горные дороги, дорогам с переходными покрытиями - булыжным дорогам общего пользования и грунтовым разбитым дорогам, вызывающим вибрационные нагрузки с проявлениями усталостных разрушений отдельных агрегатов, узлов и систем (1-я группа дорог) - в объеме 60% от нормативного пробега; грунтовым дорогам общего пользования в удовлетворительном состоянии и грунтовым дорогам размокшим, вызывающим в наибольшей мере трибологическое воздействие на перечисленные составные части ТС (2-я группа дорог) - в объеме 40% от нормативного пробега. По указанной причине эти дороги на стенде не воспроизводятся, а отрабатываются при испытаниях ТС в натурных условиях.
Таким образом, воспроизведение динамического воздействия на ТС на стенде с беговыми барабанами касается дорог только 1-й группы.
Динамическое воздействие испытательных дорог 1-й группы и неровностей, устанавливаемых на барабаны стенда, оценивают через вертикальные ускорения подрессоренных масс ТС; а при наличии систем вторичного подрессоривания - на полу кабины и на сиденье водителя.
Из теории анализа случайных функций известно, что функция микропрофиля дороги [2] может быть аналитически представлена интегралом Фурье в виде суммы ряда слагаемых гармонических функций с амплитудами и частотами, изменяющимися от предыдущего члена к последующему на соответствующую величину при изменении частоты ω, 2 ω, 3 ω и т.д.
Исходя из этого, в соответствии с международным стандартом ISO 8608:1995 [3, Приложение В, таблица В2] профили дорог представлены в октавных полосах частот со средними геометрическими частотами от 8 до 0,002 Гц и соответствующими им длинами волн неровностей от 0,125 до 512 м.
Аналогично профилям дорожных покрытий ускорения ТС, являющиеся реакцией от воздействия неровностей дорог, также при анализе представляются в октавных (третьоктавных) полосах частот [4]. При оценке воздействия вибрации на человека принят диапазон общей вибрации в границах 0,7-90 Гц, включающий семь октав от 0,7-1,4 Гц; 1,4-2,8 Гц и т.д. до 45-90 Гц со среднегеометрическими частотами соответственно 1, 2, 4, 8, 16, 31 и 63 Гц [5]. В автомобильной отрасли указанные нормативы изложены в ОСТ 37.001.275-84 [6].
В соответствии с приведенными исходными материалами на фиг. 1 показан фрагмент записи случайного процесса вертикальных ускорений подрессоренной массы автомобиля КАМАЗ-43101 при движении на булыжной дороге ровного мощения на скорости 40 км/ч с фильтрацией процесса в диапазоне 0,7-22,4 Гц (позиция 1) и последующими представлениями в октавных полосах частот 0,7-1,4 Гц (позиция 2), 1,4-2,8 Гц (позиция 3), 2,8-5,6 Гц (позиция 4), 5,6-11,2 Гц (позиция 5); 11,2-22,4 Гц (позиция 6) со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8 и 16 Гц, а в таблице фиг. 2 представлены результаты обработки ускоренной (с ленты магнитографа) на ПЭВМ, оснащенной аналого-цифровым преобразователем и программным комплексом «МАРК» в диапазоне частот 0,7-22,4 Гц в виде средних квадратических ускорений указанных процессов в октавах на скоростях движения 30, 40 и 50 км/ч.
Из таблицы (фиг. 2) следует, что наибольшие (до 80% и более) амплитуды ускорений проявляются во II (1,4-2,8 Гц) и IV (5,6-11,2 Гц) октавах на частотах, близких соответственно к низкочастотному резонансу подрессоренных масс и высокочастотному резонансу неподрессоренных масс, что использовано при воспроизведении случайного профиля дороги на барабанах стенда с установленными на них неровностями синусоидального профиля разной длины.
Аналогичные результаты получены и по другим видам дорог 1-й группы.
0
Наиболее близким к предложенному является способ определения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) автомобиля на стенде с беговыми барабанами, на поверхность которых крепятся специальными бандажами деревянные бруски разной высоты, образуя требуемый профиль имитируемых неровностей, как правило, неровности синусоидального профиля, образуя при вращении барабана гармонический микропрофиль с амплитудой неровности q=10 мм. При этом на барабане устанавливают одну или несколько неровностей, длина каждой из которых принимается в пределах 1,5-2,5 м, как наиболее вероятные на поверхности автомобильных дорог [2, стр. 110-111, рис. 48, 49]. Испытания проводят на установившейся скорости вращения барабана, дискретно изменяя ее величину (10-15 значений) для определения параметров АЧХ в широком диапазоне частот с построением характеристики изменения амплитуд (перемещений подрессоренных и неподрессоренных масс, их ускорений, прогибов подвески, напряжений в элементах конструкции и т.д.) в зависимости от частоты воздействия [2, стр. 112, рис. 50], при этом резонансы амплитуды (наибольших их значений) в низкочастотной и высокочастотной областях получают на разных скоростях вращения барабана, отличных для разных типов транспортных средств приблизительно в 4 раза.
Задачей изобретения является одновременное возбуждение колебаний в области низко- и высокочастотного резонансов на одной из скоростей вращения барабанов, обеспечивая наибольшую динамическую нагруженность составных частей автомобиля преимущественно во II и IV октавах случайного профиля дороги, с одновременным исключением малых амплитуд ускорений в межрезонансной и зарезонансных зонах (I, III и V октавы).
Поставленная задача решается тем, что на беговые барабаны стенда устанавливают бигармоническую неровность синусоидального профиля, включающую основную неровность, вызывая на частоте от 1,5 до 2,0 Гц низкочастотный резонанс подрессоренной массы ТС на частоте, близкой к частоте собственных колебаний и несколько коротких неровностей, устанавливаемых по образующей основной неровности, создавая одновременно высокочастотный резонанс неподрессоренных масс на частоте собственных колебаний в диапазоне 5-8 Гц.
2
1
При этом количество коротких неровностей определяют отношением частот возбуждения высокочастотного резонанса ω к низкочастотному ω, вычисляемых по частотам собственных колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс по выражению:
-1
где ω - частота колебаний, с;
р
ш
С и С - соответственно жесткость рессоры и шины,
пм
нм
М и m - соответственно подрессоренная и неподрессоренная массы ТС, приходящиеся на колесо,
В качестве примера для расчета количества неровностей на барабане стенда принят полноприводный автомобиль КАМАЗ-5350 и, в частности, его передняя часть с исходными данными:
- нагрузка на ось переднего моста - 5194 кг;
- вес подрессоренной части, приходящийся на переднюю ось - 3774 кг;
- вес неподрессоренной части передней оси - 1420 кг;
- жесткость рессоры передней подвески - 185 кН/м;
- жесткость шины передней оси - 650 кН/м.
2
В выражении (1) масса вычисляется с учетом величины земного тяготения с g=9,81 м/с, а нагрузка - в кН. Тогда подрессоренная и неподрессоренная массы, приходящиеяся на одно переднее колесо, соответственно равны:
1
2
Используя выражение (1) найдем частоты собственных колебаний подрессоренных ω и неподрессоренных ω масс и их отношение:
1
или ω=1,58 Гц;
2
или ω=4,82 Гц;
2
2
Исходя из соотношения  принимаем три коротких синусоидальных неровности, включаемые в бигармоническую неровность. С уменьшением веса неподрессоренной массы, а это возможно при независимой подвеске, ω смещается в область более высоких частот. Так, например, при уменьшении веса неподрессоренной части с 1420 до 745 кг при том же весе подрессоренной части и жесткости шины, ω возростает до 7,5 Гц. Тогда потребуется использовать уже не 3, а 5 коротких неровностей.
Принимая во внимание требование, что короткая неровность по длине должна быть больше длины отпечатка шины на горизонтальной площадке в 1,5-2,0 раза, то основная неровность, при трех коротких неровностях, должна быть не менее 3,0 м.
Для сбалансированного динамического воздействия неровностей на колеса автомобиля приняты две основные неровности длиной по 3,0 м, размещаемые на барабане стенда диаметром 1,92 м.
Правильность выбора частот нагружения с наибольшим динамическим воздействием на колеса автомобиля подтверждена результатами натурных испытаний автомобиля КАМАЗ-5350 на крупнобулыжном участке Комплексной испытательной трассы (КИТ) ФГБУ «21 НИИИ ВАТ» Минобороны России на плавность хода. На фиг. 3 представлены средние квадратические значения вертикальных ускорений на рабочем месте водителя (РМВ) указанного автомобиля в третьоктавных полосах частот по ИСО 2631-1 в двух состояниях: снаряженном состоянии (сплошные линии) и при полной массе (штриховые линии) соответственно на скоростях: 1 - 18,6 км/ч; 2 - 28,6 км/ч и 3 - 37,9 км/ч; 1' - 18,9 км/ч; 2' - 28,1 км/ч и 3' - 40,0 км/ч.
Наибольшие ускорения установлены в области низких частот в диапазоне 1,25-2,5 Гц и в области высоких частот - 5,0-8,0 Гц.
Сплошной жирной линией показаны нормативы ускорений на РМВ при 8-ми часовой непрерывной работе водителя при движении автомобиля.
Аналогичная закономерность распределения наибольших ускорений установлена по подрессоренной массе, как над передней осью, так и над осью задней тележки.
2
Максимальная высота синусоидальной неровности, обозначенная как 2q, где q - амплитуда неровности, выбирается исходя из максимальных вертикальных ускорений  вычисляемых по средним квадратическим значениям  подрессоренной массы в диапазоне частот 0,7-22,4 Гц, например, автомобиля КАМАЗ-5350 на крупнобулыжном участке КИТ над осями передних колес и колес задней тележки на скоростях движения 10, 20 и 30 км/ч, которые установлены в границах 4,9-5,5 м/с.
2
2
Приняв среднее значение  равным 5,2 м/с с распределением его в области низко- и высокочастотного резонансов (на основе опыта определения АЧХ ускорений) как  при  или 15,6 м/с с использованием выражения
найдем
По значению  из известного выражения
н
в
н,в
находим амплитуду каждой неровности в области низкочастотного q и высокочастотного q резонансов при q=А:
н
При заданной частоте ω=2 Гц за один оборот барабана при двух основных неровностях находим
н
или q=0,04 м,
в
а при частоте ω=6,0 Гц, находим
в
или q=0,01 м.
в
В итоге на барабан стенда диаметром 1,80 м (с учетом высот неровностей - 1,91 м) устанавливают две бигармонические неровности, как единое целое с совмещенными параметрами их составляющих таким образом, что средняя линия коротких неровностей с параметрами ±q совпадает с образующей основной неровности так, как это показано на развертке, фиг. 4.
Изготовление бигармонической неровности выполняется, например, отдельными сегментами с учетом образующей основной и коротких неровностей и кривизны барабана, фиг. 5.
Сопоставленный анализ предложенного технического решения с известным [2] показывает, что заявляемый способ с использованием бигармонической неровности для его реализации отличается от известного тем, что воспроизведение на барабанах стенда динамического воздействия на ТС достигается путем одновременного возбуждения колебаний ТС в области низко- и высокочастотных резонансов с наибольшими ускорениями, составляющими в сумме 80% и более от всех амплитуд ускорений в диапазоне частот 0,7-22,4 Гц на неровной j-й дороге со случайным микропрофилем, на которой формируются длинные и короткие неровности одновременно, что позволяет считать заявленные объекты соответствующими критерию «новизна».
1
пм
р
2
нм
ш
2
1
н,в
в
Совокупность последовательных операций, включающих определение длины основной неровности и диаметра барабана, определение частот собственных колебаний (1) подрессоренной массы ТС ω через определенные известные значения подрессоренной массы М и жесткости рессоры С и неподрессоренной массы ω через определенные известные значения неподрессоренной массы m и жесткости шины С, определение количества коротких неровностей, совмещаемых с основной неровностью через отношение ω/ω определение амплитуд q неровностей по (4, 5) через максимальные ускорения, устанавливаемые экспериментально на j-й дороге в диапазоне частот 0,7-22,4 Гц, совмещение коротких неровностей таким образом, чтобы средняя линия коротких неровностей с параметрами ±q совпала с образующей основной неровности, образуя единую бигармоническую неровность, изготовление которой выполняется в виде, например, отдельных сегментов с учетом единой образующей основной и коротких неровностей с последующим их монтажом на барабан стенда, позволяет считать заявленное решение соответствующим критерию «изобретательский уровень».
При реализации предложенного способа воспроизведения на барабанах стенда динамического воздействия на транспортное средство, эквивалентного по уровню от случайного профиля испытательной дороги, ТС при полной его массе перемещают в ведущем режиме при контакте колес с образующей неровностей, установленных на барабанах стенда.
Использование барабанных стендов для испытаний на примере автомобиля КАМАЗ-5350 при воспроизведении на них уровня нагружения от булыжной испытательной дороги, а также для ускорения и форсировки испытаний на циклическую прочность несущих систем, рулевых управлений, систем подрессоривания, балок мостов и др. агрегатов автомобиля заключается в следующем.
По результатам взвешивания определяют вес частей приходящихся на колеса каждого моста автомобиля, с последующим определением раздельно подрессоренных и неподрессоренных масс, а также жесткости рессор и шин.
По выражению (1) и полученным исходным данным определяют частоты собственных колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс передней и задней частей автомобиля.
По результатам дорожных испытаний автомобилей на плавность хода на булыжной дороге (фиг. 3) определяют область частот с повышенными ускорениями на сиденье водителя, передней и задней частей автомобиля, соответствующих резонансным, сопоставляют с расчетными значениями и при необходимости корректируют.
Для одновременного возбуждения колебаний в области низко- и высокочастотных резонансов на барабаны стенда устанавливают по две бигармонические неровности синусоидального профиля, каждая из которых состоит из совмещенных основной и нескольких коротких неровностей.
Исходя из среднестатистических данных по измерениям неровностей на реальной дороге и согласования количества коротких неровностей с размерами отпечатка шины, длину основной неровности принимают равной 3,0 м, что позволяет при двух неровностях на одном барабане вычислить его диаметр (1,92 м).
2
1
Количество коротких неровностей, совмещаемых с основной, как указано, вычисляется отношением частот, формируемых при высокочастотном резонансе неподрессоренных масс ω и при низкочастотном резонансе подрессоренных масс ω.
2
Физически каждая бигармоническая неровность изготавливается как единое целое, у которой средняя линия коротких неровностей с параметрами амплитуды ±q совмещается с образующей основной неровности, как показано на фиг. 4 и 5.
Амплитуды неровностей вычисляют по выражению (4) по значениям максимальных ускорений, установленных экспериментально при испытаниях автомобиля на булыжной дороге в двух весовых состояниях на трех скоростях движения через средние квадратические ускорения подрессоренных масс. По приведенным расчетным данным высота основной неровности при Н=2q получена 8 см, а короткой 2 см.
С учетом геометрических размеров неровностей с их основанием диаметр барабана принимают равным 1,8 м при сохранении длины основной неровности 3,0 м.
Каждая бигармоническая неровность изготавливается отдельными разрезными сегментами с учетом кривизны поверхности барабана.
Использование бигармонических неровностей на барабанах стенда обеспечивает по сравнению с известным методом [2] не только воспроизведение на барабанах стенда дорог с твердым покрытием и разбитых дорог в сухом и замерзшем состоянии со случайным микропрофилем, например булыжной дороги, по уровню ускорений и частотным характеристикам, но и ускорение и форсировку испытаний путем увеличения амплитуды неровностей. Кроме того, из всего перечня испытательных дорог, используемых при испытаниях для оценки безотказности ТС [1], строительство булыжной дороги очень затратно по стоимости и наличию исходного строительного материала (булыжника) необходимых размеров, а в черте города - практически невозможно, что позволяет предложенное техническое решение рассматривать как практически полезное и реализуемое независимо от расположения организации, времени года и метеорологических условий.
Источники информации
1. ОСТ 37.001.520-96. Категории испытательных дорог. Параметры и методы их определения. - Введ. 1997-07-01. - М.: НАМИ, 1996.
2. Яценко Н.Н. Плавность хода грузовых автомобилей [текст] / Н.Н. Яценко, O.К. Прутчиков. - М.: «Машиностроение», 1969. - 220 с.
3. Международный стандарт ISO 8608:1995. Вибрация механическая. Профили дорожного покрытия. Представление результатов измерений.
4. Межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 8002-89. Вибрация. Вибрация наземного транспорта. Представление результатов измерений. - Минск: ИПК «Издательство стандартов», 2000.
5. Межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 2631-1:97. Вибрация и удар механические. Оценка воздействия вибрации всего тела на организм человека. Часть 1. Общие требования. - Минск: МТК183, ИПК «Издательство стандартов», 2004.
6. ОСТ 37.001.275-84. Автотранспортные средства. Методы испытаний на плавность хода. - Введ. 1992-01-01 (изм. №2, ИУОС №4, 1991). - М.: НАМИ, 1985.