Экспериментальное исследование жесткости опор кабины легкого коммерческого автомобиля

УДК 629.113

В.Ю. Шурыгин, Л.Н. Орлов, А.С. Вашурин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ ОПОР КАБИНЫ ЛЕГКОГО КОММЕРЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Представлены результаты испытаний элементов крепления кабины к раме автомобиля категории N1. В качестве объекта исследования выбран автомобиль ГАЗ A21R22 NEXT. В ходе экспериментального исследования получена горизонтальная и вертикальная характеристика жесткости резино-металлического элемента крепления кабины к раме автомобиля. Полученные характеристики могут быть использованы для последующего применения в конечно-элементном расчете прочности несущих систем легких коммерческих автомобилей ГАЗ.

Ключевые слова: испытания, резино-металлический элемент, жесткость.

Целью работы является исследование характеристик резино-металлических элементов крепления кабины для внесения полученных характеристик в расчетную модель по оценке прочности и жесткости несущей системы, включающей раму, кабину и грузовую платформу [1, 2]. Известно, что кабина обладает относительно высокой жесткостью и при абсолютно жестком её соединении с рамой автомобиля, в расчетной модели, общая жесткость несущей системы оказывается неоправданно завышенной.

Резино-металлические элементы крепления кабины имеют определенную податливость, за счет чего суммарная жесткость несущей системы снижается, но при этом обеспечивается изоляция водителя и пассажиров от вибраций.

Задачи исследования:

• разработка оснастки для крепления резино-металлического элемента на станине разрывной машины;

• подготовка испытательного оборудования;

• проведение эксперимента;

• математическая обработка полученных данных;

• вывод графической характеристики элемента крепления кабины.

Автомобиль в процессе эксплуатации передвигается по различным типам дорог, которые являются основным источником возмущений и вибраций, отрицательно сказывающихся как на автомобиле в целом, так и на пассажирах и перевозимых грузах, в частности [3]. Рама автомобиля воспринимает возмущения, исходящие от дорожного полотна, при этом все возмущения передаются на кабину автомобиля и в этом случае важен тип крепления кабины автомобиля на раме. Тип крепления должен обеспечивать достаточную виброизоляцию кабины, с одной стороны, но и быть достаточно жестким с точки зрения жесткости несущей системы, с другой.

Объектом данного исследования является резино-металлический элемент крепления кабины легкого коммерческого автомобиля ГАЗель Некст, внешний вид которого показан на рис. 1. Данный объект исследования устанавливается между кабиной и рамой автомобиля, он таким образом «подрессоривает» кабину и снижает вибрации, воспринимаемые водителем и пассажиром.

В ходе проведения экспериментальных исследований было использовано оборудование Центра коллективного пользования «Транспортные системы» НГТУ, а также лаборатории Института физико-химических технологий и материаловедения: LS5 100/200 - лазерный триангуляционный датчик положения, УМЭ10-ТМ - разрывная машина, TCLP-30KNB -датчик силы.

© Шурыгин В.Ю., Орлов Л.Н., Вашурин А.С., 2016.

Хорошо известны методы и подходы исследователей, выполнявших ранее аналогичные натурные эксперименты по оценке жесткости упругих элементов конструкции транспортных средств [4, 5]. При проведении данного исследования резино-металлический элемент крепления кабины был расположен на станине разрывной машины, при этом к станине он был прикреплен с помощью болтового соединения, а в нижней части через переходное кольцо был установлен упор для соединения с датчиком силы. При поступательном перемещении станины разрывной машины в вертикальном направлении, резиновый элемент упирался в датчик силы и при этом деформировался на величину перемещения станины. Датчик силы замерял контактное усилие в месте соприкосновения резинового элемента и переходного кольца. Лазерный датчик перемещения замерял перемещение станины в вертикальном направлении, равное величине деформации резинового элемента. Испытательная установка, использованная в работе, показана на рис. 2.

а) б)

Рис. 1. Резино-металлический элемент крепления кабины к раме:

а - установка на автомобиле; б - резино-металлический элемент

Рис. 2. Экспериментальная установка при исследовании вертикальной жесткости

На рис. 3, а показан резиновый элемент в сжатом состоянии, при максимальной нагрузке, действующей в вертикальном направлении. При исследовании горизонтальной жесткости резино-металлического элемента был применен аналогичный подход, с разницей закрепления кронштейна на станине разрывной машины (рис. 3, б).

а) б)

Рис. 3. Фрагменты испытания:

а - сжатый резиновый элемент; б - исследование горизонтальной жесткости

В ходе экспериментальных исследований проводились замеры интересующих

величин: сила и перемещения (деформации упругой опоры), при этом оценивалась

погрешность проводимых измерений, для этого была выполнена обработка данных

физических экспериментов [6]. Каждая кривая была аппроксимирована под линейную

функцию с помощью уравнения:

у = ах + Ь.

В этом случае аппроксимация заключается в отыскании коэффициентов уравнения a и

b таких, чтобы все экспериментальные точки лежали наиболее близко к аппроксимирующей

прямой. В работе использовался метод наименьших квадратов, суть которого заключается в

том, чтобы сумма квадратов отклонений значения точки от аппроксимирующей точки

принимала минимальное значение:

п

F

i=1

Решение поставленной задачи сводится к нахождению экстремума указанной функции двух переменных. С этой целью находятся частные производные функции по коэффициентам a и b и приравниваются к нулю.

с п

dF

= -2 ^(yi - (axi + b)xi = 0;

i=l n

= -2^(yi - (axi + b) = 0.

da

, Л ^

dF

~ x ' " 1 0.

db i = 1

Решая полученную систему уравнений, можно определить значения коэффициентов:

v

а

ъ =

п21=1х1 (21=1Х1} 21=1у1 — а21=1х1

п

Поскольку в рассматриваемой задаче важно, чтобы при нулевых деформациях усилия в опоре также равнялись нулю, то коэффициент Ь во всех случаях принимал нулевые значения. После обработки экспериментальных данных получены графики зависимостей силы от перемещения в вертикальном (рис. 4) и горизонтальном (рис. 5) направлениях.

Нагрузка, кН

10

8

6 у1= 0,545 х

4

2 Дефор эмации, мм

-15 -10 0 5 10

-2

0,453 х^ -4

-6

-8

15

-10

Рис. 4. Характеристика упругого элемента в вертикальном направлении

Нагрузка, кН

15

10 У = 0,413

5 Дефорллг эции, ллм

-15 = 0,405х 2 -10 0 5 10 15

-5

-10

-15

Рис. 5. Характеристика упругого элемента в горизонтальном направлении

Полученные характеристики (уравнения) могут быть использованы для последую-

щего применения в конечно-элементном расчете прочности несущих систем легких коммерческих автомобилей, в которых используются аналогичные резино-металлические опоры.

Библиографический список

1. Тумасов, А.В. Сравнительная оценка результатов компьютерного моделирования и испытаний рамы легкого коммерческого автомобиля на прочность / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, А.В. Герасин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2013. - № 10.

- С. 63-68.

2. Тумасов, А.В. Оценка прочности несущих систем легких коммерческих автомобилей с внесенными в их конструкцию изменениями / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, В.Ю. Шурыгин, Д.В. Шаров // Известия Московского государственного технического университета МАМИ.

- 2016. - № 1 (27). - С. 66-70.

3. Лозовский, Н.Т. Эксплуатационная долговечность кабин грузовых автомобилей / Н.Т. Лозовский, Г.В. Борисов, Н.А. Кузьмин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - №4 (101). - С. 44-49.

4. Wolf, D. Experimental Elastomer Analysis, Presented at a meeting of the Rubber Division / D.Wolf, K. Miller //American Chemical Society, Orlando, Florida, September 21-24, 1999.

5. Gent, A.N., Engineering with Rubber / A.N.Gent. - Oxford University Press, New York, NY, 1992.

6. Шейнман, И. Л. Методы обработки результатов физического эксперимента / И.Л. Шейнман, В.В. Морозов, Б.Е. Соботковский // М-во образования и науки РФ, С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т "ЛЭТИ". - СПб., 2004. - 63 с.

Дата поступления в редакцию 27.06.2016

V.Y. Shurygin, L.N. Orlov, A.S. Vashurin

EXPERIMENTAL RESEARCH OF STIFFNESS OF LIGHT COMMERCIAL

VEHICLE CAB SUPPORT

Nizhny Novgorod state technical university n. a. R. E. Alexeyev

Purpose: Determination of stiffness of light commercial vehicle cab support for further using in finite element analysis of robustness of bearing structure.

Design/methodology/approach: The experimental study made on tensile-testing machine with using of special devices and equipment of Center of collective using "Transport systems".

Findings: The results obtained during the experiment allow estimate the vertical and horizontal stiffness of light commercial vehicle cab support.

Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research of robustness of light commercial vehicle bearing structure taking in account mechanical characteristics of a frame, cab, platform and all rubber-metal elements including cab and platform supports.

Originality/value: The main feature of the study is using of modern measurement equipment and analytical approach that could be used for determination of vehicles fuel consumption.

Key words: test, rubber-metal element, stiffness.