УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СТАТИЧЕСКИХ ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВЕСКИ СИЛОВОГО АГРЕГАТА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, а более конкретно - к области исследований виброакустических процессов колесных транспортных средств, для определения эффективности схемы расположения и конструкции опор подвески поперечно расположенного силового агрегата на переднеприводном легковом автомобиле с точки зрения ограничения максимально-допустимых перемещений силового агрегата в пространстве моторного отсека кузова и исключения импульсных (ударных) динамических нагрузок, передаваемых при этом на кузов через опоры, обеспечения приемлемых виброизолирующих характеристик опор подвески силового агрегата на различных эксплуатационных режимах движения автомобиля, а также для оперативной диагностики и выявления причин таких виброакустических дефектов, как субъективно воспринимаемые экспертами удары в подвеске силового агрегата на переходных режимах движения автомобиля (трогание с «броском сцепления», движение с чередующимися интенсивными ускорениями и замедлениями и т.д.) и при движении автомобиля по некачественным дорожным покрытиям, например, бездорожью, агрофонам, сухому песку или асфальту, покрытому рыхлым снегом, и высокие уровни вибрации и шума, передающиеся в кабину транспортного средства, салон автомобиля при работе двигателя.
Технология эффективных и экономически оправданных приемов виброакустических исследований и доводки транспортного средства и, в частности, легкового переднеприводного автомобиля с поперечной компоновкой силового агрегата, предусматривает выбор оптимальной системы крепления - конструкции крепежных элементов и вариантов их расположения, которые обеспечивают выполнение следующих условий.
Изоляцию кузова от динамических усилий и моментов, возникающих при работе двигателя, в частности, сил инерции 2-го порядка и вибрации на оборотах холостого хода.
Изоляцию кузова от собственного корпусного шума агрегатов, в том числе шума двигателя и коробки передач.
Обеспечение оптимального восприятия кузовом весовых и инерционных усилий от силового агрегата, а так же, нагрузок, возникающих при передаче крутящего момента от силового агрегата на ведущие колеса, т.е. реактивного крутящего момента.
Компенсацию колебаний силового агрегата, возникающих под воздействием микропрофиля дороги.
Выполнение указанных условий возможно лишь в случае, при котором экспериментально определены реальные значения пространственных перемещений силового агрегата. При этом, силовой агрегат рассматривается как колеблющаяся на опорах масса.
ст.лин.
На основании данных, полученных при различных эксплутационных режимах движения автомобиля проводится последующая оптимизация жесткостных и демпфирующих характеристик как отдельных опор подвески, так и всей подвески силового агрегата в целом. Известно, что осевую (или линейную, измеренную в направлении одной оси нагружения) статическую жесткость опоры подвески силового агрегата К при приложении статической силы F можно определить по формуле:
К<sub>ст.лин.</sub>=F/S,
(1)
где F - сила нагружения, Н;
S - перемещение (прогиб) в опоре, мм.
ст.кр.
кр.
Крутильная (угловая) статическая жесткость опоры подвески силового агрегата К при приложении статического закручивающего момента М определяется по формуле:
К<sub>ст.кр.</sub>=М<sub>кр</sub>/φ,
(2)
кр
где М - момент закручивания, Нм;
φ - угол закручивания в опоре, град.
Известны схемы и устройства машин (стендов), применяемых для экспериментального определения вышеперечисленных статических жесткостных характеристик образцов материалов и изделий, в частности подушек опор подвески силового агрегата транспортного средства [Испытательная техника:
Справочник. В 2-х кн./под ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение, 1982 - Кн.1, 1982 - 528 с., ил.]. Для определения осевой статической жесткости образцов, может применяться, в частности, однозонная разрывная или универсальная статическая машина с механическим нагружающим устройством, состоящая, в общем случае, из неподвижной массивной станины, на которой смонтирован механический, например, винтовой или червячный привод с подвижным нижним захватом для крепления одной части исследуемого образца, например, внутренней втулки резинометаллической подушки опоры двигателя - при установке опоры на автомобиль, втулка посредством кронштейна и резьбовых соединений жестко крепится на двигателе, а также двух колонн, воспринимающих усилия растяжения или сжатия при проведении испытаний, неподвижной верхней траверсы с вмонтированным в нее датчиком силы и верхним захватом для крепления другой части исследуемого образца, например, наружной обоймы резинометаллической подушки опоры двигателя - при установке опоры на автомобиль, обойма посредством кронштейна и резьбовых соединений жестко закреплена на кузове. Для определения перемещений подвижной части исследуемого образца, в частности, опоры двигателя, может использоваться индикатор линейных перемещений часового типа или индуктивный датчик перемещений, смонтированный на станине. Последовательно нагружая (растягивая и/или сжимая) посредством механического привода исследуемый образец статической силой F, регистрируемой при помощи датчика силы, и определяя при этом величину перемещения (прогиба) подвижной части образца (опоры) S при помощи датчика перемещения, получаем нагрузочную характеристику исследованного образца опоры F=f(S).
Известны также статические машины (стенды) для испытаний образцов изделий на кручение [Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн./под ред. В.В.Клюева - М. Машиностроение, 1982 - Кн.1, 1982 - 528 с., ил.]. Силовая схема одной из таких машин содержит, в частности, червячный или зубчатый редуктор, два захвата и маятник с грузом. Через редуктор одному из захватов сообщается движение, закручивающее образец. Другой захват расположен на оси маятника, по углу подъема которого определяется скручивающий момент, приложенный к испытываемому образцу.
Данные известные технические устройства для экспериментального определения осевых и крутильных (угловых) статических жесткостных
характеристик образцов изделий, в частности, опор подвески силового агрегата транспортного средства, принимаются за Прототип.
Известные устройства по Прототипу имеют ряд существенных недостатков.
В частности, ограничено их применение при раздельном (автономном) экспериментальном определении осевых и крутильных (угловых) статических жесткостных характеристик для отдельно взятых, например, демонтированных с автомобиля, опор подвески силового агрегата. Это не позволяет определять статические жесткостные характеристики подвески силового агрегата, которая в целом содержит в составе несколько опор, учитывая конкретные пространственные координаты расположения и жесткостные характеристики всех опор, а также, учитывать другие присоединенные опорные связи силового агрегата с кузовом автомобиля, непосредственно не входящие в состав штатной подвески силового агрегата, к которым можно отнести опоры системы выпуска отработавших газов двигателя, элементы привода управления механизмом переключения передач, патрубки системы охлаждения двигателя и т.д., оказывающих заметное влияние на жесткостные и весовые характеристики колебательной системы в целом, что, в конечном счете, ведет к необъективности выполненных измерений.
Кроме того, ограничено использование устройств по определению статических жесткостных характеристик опор подвески силового агрегата в направлении только одной оси нагружения или поочередно в каждой из осей по отдельности в других направлениях, что не позволяет учитывать связанность колебаний в направлении и вокруг осей в виде сложных пространственных, с шестью степенями свободы, перемещений силового агрегата в моторном отсеке автомобиля на различных эксплуатационных режимах его движения, что также ведет к необъективности выполненных измерений.
Так же затруднено, а в ряде случаев невозможно, применение устройств по Прототипу для эффективной оптимизации жесткостных характеристик как отдельных опор, так и всей подвески силового агрегата в целом, с точки зрения ограничения чрезмерно высоких значений перемещений силового агрегата в моторном отсеке кузова и уменьшения ударных динамических нагрузок, передаваемых при этом на кузов через опоры, а также обеспечения приемлемых виброизолирующих характеристик опор подвески силового агрегата на различных эксплуатационных режимах движения автомобиля.
Кроме того, затруднено, а в ряде случаев невозможно, применение устройств для оперативной диагностики и выявления причин таких виброакустических дефектов, как удары в подвеске силового агрегата на переходных режимах движения автомобиля, например, трогание с «броском сцепления», движение с чередующимися интенсивными ускорениями и замедлениями, движение автомобиля по участкам дорог с некачественным покрытием, например, бездорожью, агрофонам, сухому песку или асфальту, покрытому рыхлым снегом, и/или высокие уровни вибрации и шума, передающиеся в кабину транспортного средства при работе двигателя.
Именно, для устранения основных недостатков известных технических устройств, используемых в технологиях исследований и доводки автомобиля по виброакустике при определении жесткостных характеристик подвески силового агрегата и предназначено заявляемое устройство экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески поперечно расположенного силового агрегата переднеприводного автомобиля.
В отличие от известных устройств, в заявляемой полезной модели предлагается использовать мобильное устройство для экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата в составе транспортного средства, которое состоит из нескольких взаимосвязанных элементов.
Элементами мобильного устройства для экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата транспортного средства, в частности, являются механизм нагружения, механизм фиксации и стрелочный индикатор.
Механизм нагружения представляет собой универсальную рычажную конструкцию с набором грузов. Рычажная конструкция жестко смонтирована посредством резьбовых соединений на диске одного из ведущих колес, переднего правого или левого колеса автомобиля с переднеприводной компоновкой агрегатов.
Рычажная конструкция содержит опорный фланец и рычаг.
Фланец может быть выполнен, например, в виде стального полого цилиндра Т-образного сечения, состоящего из сваренных между собой толстостенной трубы, имеющей по крайней мере восемь радиально расположенных монтажных отверстия для крепления рычага нагружающего механизма с различными заданными углами его начального положения и
опорного диска, имеющего отверстия для крепления к ступице колеса, причем по крайней мере одно из отверстий выполнено большего в два раза диаметра, что позволяет устанавливать и закреплять нагружающий механизм заявляемого устройства на автомобиле без демонтажа колеса.
Рычаг может быть изготовлен, например, из стальной толстостенной трубы прямоугольного сечения, с приваренной на одном ее конце стальной цилиндрической втулкой, которая имеет, по крайней мере, одно радиально расположенное резьбовое отверстие. Диаметр втулки рычага, при этом, должен обеспечивать подвижный, с зазорами, ее монтаж внутри консольно выступающей части трубы опорного фланца при помощи болтового соединения, а на другом конце труба имеет по крайней мере один расположенный на заданном расстоянии от оси рычага крепежный элемент для подвешивания набора грузов, выполненный, например, в виде сквозного отверстия на боковых стенках трубы рычага.
Набор грузов является разборным и представляет собой несущий стальной стержень с приваренным в его нижней части опорным стальным диском. В верхней части стержень содержит монтажный крюк J-образной формы. Набор калиброванных грузов заданной массы выполнен, например, в виде стальных дисков цилиндрической формы, каждый из которых имеет радиальный паз для монтажа/демонтажа на несущем стержне, две стальных рукоятки С-образной формы, которые приваренны к боковым поверхностям диска. На противоположных торцевых поверхностях дисков выполнены выступы и проточки, позволяющие фиксировать грузы между собой с целью исключения их самопроизвольного падения с несущего стержня.
Механизм фиксации углового положения коленчатого вала двигателя выполнен, в частности, в виде стальной толстостенной монтажной пластины, имеющей по крайней мере два отверстия для ее крепления к корпусу силового агрегата, в частности, к картеру сцепления, на которой монтируется посредством двух гаек фиксатор. Фиксатор состоит, например, из сваренных между собой направляющей стальной резьбовой шпильки и вырезанным фрагментом сектора зубчатого венца маховика соответствующего двигателя и груз, выполненный например, в виде стального диска с осевым монтажным резьбовым отверстием для крепления на выступающей из монтажной пластины части направляющей шпильки фиксатора. Масса груза соответствует массе демонтированного пускового агрегата или стартера.
Механизм фиксации углового положения коленчатого вала двигателя обеспечивает жесткую контактную связь выбранной трансмиссионной передачи с маховиком коленчатого вала двигателя транспортного средства. Предпочтителен выбор такого положения рычага управления механизмом переключения передач, который соответствует низшей передаче с максимальным значением передаточного числа трансмиссии. Жесткая контактная связь проходит через детали и узлы трансмиссии, которые представляют собой приводной вал в сборе с шарнирами, зубчатые колеса дифференциала, зубчатые колеса и валы коробки передач, диск сцепления. В одном из возможных вариантов исполнения, механизм фиксации углового положения коленчатого вала двигателя может представлять собой пусковой агрегат двигателя (стартер) с неподвижно, жестко зафиксированным к его корпусу механизмом привода зубчатого венца маховика двигателя. В частности, приводное зубчатое колесо в рабочем положении, соответствующем режиму пуска двигателя, может быть зафиксировано неподвижно, например, приварено к корпусу стартера.
Стрелочный индикатор часового типа содержит жесткий стержень и сектор с контрольными метками.
Жесткий стержень изготовлен, например, из стального прутка с заостренным конусным или треугольным стрелочным наконечником который закреплен, например, на трубе рычажного нагружающего механизма в направлении оси трубы.
Сектор с контрольными метками которые нанесены, например, красящим веществом, устанавливается на опорную поверхность при помощи штатива, причем ось сектора стрелочного индикатора расположена на одной линии с осью рычага (диска ведущего колеса транспортного средства).
Стрелочный индикатор позволяет, с заданной точностью, равной половине углового значения отсчитываемого между соседними метками, определять угол закручивания силового агрегата относительно панелей кузова, корпусных деталей систем автомобиля, моторного отсека легкового автомобиля и пространственного положения рычага механизма нагружения для последующего расчета величины нагружающего момента.
В качестве менее точного варианта качественной (относительной) оценки величины угла закручивания силового агрегата, при приложении к нему нагружающего момента, могут также использоваться контрольные метки, нанесенные красящим веществом, например маркером, в точках на кромке диска
колеса, расположенных на условной вертикальной линии, соединяющей ось колеса и центр пятна контакта колеса с горизонтально расположенной опорной поверхностью.
Преимуществом данного устройства является отсутствие необходимости демонтажа отдельных опор подвески силового агрегата с целью определения их жесткостных характеристик в стендовых условиях, что сохраняет неизменной конструкцию исследуемого автомобиля с реализацией всех опорных связей силового агрегата с кузовом. В частности сохраняются опорные связи кузова с опорами подвески силового агрегата, опорами системы выпуска отработавших газов двигателя, элементами привода управления механизмом переключения передач, патрубками системы охлаждения двигателя и т.д..
Устройство так же позволяет определять реальные статические, жесткостные характеристики подвески силового агрегата в целом, с учетом пространственных координат расположения и жесткостных характеристик всех опор, а также оценивать сложные связанные пространственные (с шестью степенями свободы) перемещения силового агрегата в моторном отсеке автомобиля при имитации его нагружения реактивным моментом от ведущих колес автомобиля, соответствующим различным эксплуатационным режимам его движения, что, в конечном итоге, повышает точность и объективность результатов измерений жесткостных характеристик подвески силового агрегата.
Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах.
На фиг.1 показан установленный на четырехстоечном подъемнике переднеприводный легковой автомобиль с заявляемым устройством экспериментального определения статических жесткостных характеристик подвески поперечно расположенного в моторном отсеке силового агрегата. Возможны также варианты применения заявляемого устройства для проведения диагностических и дефектовочных операций в условиях производственных помещений, например, станции технического обслуживания, на автомобиле, установленном на смотровой яме или на открытой площадке. Нагружающий механизм и стрелочный индикатор заявляемого устройства на фиг.2, смонтированы на ведущем переднем колесе автомобиля. Обеспечивающий жесткую контактную связь между коленчатым валом двигателя и корпусом силового агрегата механизм фиксации на фиг.3, установлен в монтажном проеме демонтированного пускового агрегата (стартера) двигателя, схема монтажа приведена на фиг.4.
Позициями на фиг.1-4 обозначены:
1 - стойка стрелочного индикатора устройства для экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески поперечно расположенного силового агрегата переднеприводного автомобиля;
2 - ведущее колесо исследуемого автомобиля;
3 - стрелочный индикатор устройства для экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
4 - механизм фиксации углового положения коленчатого вала двигателя устройства экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
5 - опоры подвески силового агрегата;
6 - силовой агрегат исследуемого автомобиля;
7 - опорный фланец механизма нагружения устройства экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
8 - рычаг механизма нагружения устройства экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
9 - несущий стержень механизма нагружения;
10 - исследуемый автомобиль;
11 - устройство для подъема автомобиля;
12 - пол исследовательского (производственного) помещения;
13 - набор грузов механизма нагружения;
14 - опорная поверхность устройства для подъема автомобиля;
15 - измерительный сектор стрелочного индикатора определения угла закручивания устройства при экспериментальной оценке статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
16 - отверстия для монтажа набора грузов;
17 - опорный диск для установки набора грузов;
18 - ступица;
19, 23 - крепежные болты;
20 - диск ведущего колеса автомобиля;
21 - опорный диск монтажного фланца механизма нагружения устройства экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
22 - труба монтажного фланца;
24 - втулка рычага нагружающего механизма устройства экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата;
25 - зубчатый сектор фиксатора;
26 - регулировочная шпилька фиксатора;
27 - крепежные гайки;
28 - монтажная пластина;
29 - компенсационный груз;
30 - шайба;
31 - шпилька;
32 - корпус сцепления;
33 - монтажный проем пускового устройства (стартера) двигателя;
34 - маховик двигателя.
На фиг.5 изображена схема применения устройства для экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата на автомобиле в сборе, с учетом всех опорных связей силового агрегата с кузовом (опоры подвески системы выпуска, элементы привода управления коробкой передач, патрубков модуля системы охлаждения двигателя).
Позициями на фиг.5 обозначены:
35 - кузов исследуемого автомобиля;
36 - патрубки модуля системы охлаждения двигателя;
37 - радиатор модуля системы охлаждения двигателя;
38 - индикатор линейных перемещений в контрольных точках;
39 - приемная труба системы выпуска двигателя;
40 - шарниры механизма привода управления коробкой передач;
41 - тяги механизма привода управления коробкой передач;
42 - рукоятка рычага переключения передач;
43 - опора подвески системы выпуска двигателя;
44 - компенсатор изгибных колебаний системы выпуска двигателя.
На фиг.6 изображен опорный фланец механизма нагружения заявляемого устройства для экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата.
Сущность применения устройства конструкции заявляемой полезной модели при выполнении технологических операций экспериментальной оценки статических жесткостных характеристик подвески поперечно расположенного силового агрегата легкового переднеприводного автомобиля заключается в следующем:
Исследуемый автомобиль 10 устанавливается на подъемном устройстве 11, обеспечивающем контакт колес 2 автомобиля с горизонтальной опорной поверхностью подъемного устройства, в частности, может быть применено четырехстоечное механическое устройство для подъема легковых автомобилей, оборудованное винтовой передачей и электроприводом. С автомобиля демонтируется пусковой агрегат двигателя (стартер), после чего в освободившийся монтажный проем 33 на корпусе силового агрегата 6 устанавливается механизм фиксации 4 углового положения коленчатого вала двигателя, состоящий из монтажной пластины 28 и зубчатого фиксатора 25, входящего в зацепление с зубчатым венцом маховика 34 двигателя, и реализуется, таким образом, жесткая механическая связь между коленчатым валом двигателя и корпусом силового агрегата. При дальнейшем включении посредством рычага 42 управления механизмом переключения передач низшей передачи в коробке переменных передач, обеспечивающей движение автомобиля вперед, реализуется жесткая механическая связь между ступицами ведущих колес 2 автомобиля и маховиком 34 двигателя, осуществляемая через детали и узлы трансмиссии (приводной вал в сборе с шарнирами, зубчатые колеса дифференциала, зубчатые колеса и валы коробки передач, диск сцепления), а значит, в конечном итоге, реализуется жесткая механическая связь между ступицей 18 и диском 20 ведущего колеса - с одной стороны, и корпусом силового агрегата 6 - с другой стороны.
На диске 20 одного из ведущих колес автомобиля при помощи болтов 19 закрепляется нагружающий рычажный механизм, состоящий из опорного фланца 7 и набора грузов 13, подвешенного на рычаге 8 на заданном расстоянии L от его оси, в сборе со стрелочным индикатором 3 угла закручивания. В плоскости, перпендикулярной оси колеса и опорной поверхности подъемного устройства, при помощи штатива 1, установленного на поверхности пола 12, монтируется сектор 15 индикатора с контрольными метками для определения угла закручивания силового агрегата φ и угла α наклона рычага механизма нагружения относительно
горизонтальной плоскости, так чтобы ось сектора находилась на одной линии с осью рычага.
Последовательно увеличивая или уменьшая общую массу М груза 13 путем монтажа/демонтажа отдельных дисков заданной массы m, при помощи стрелочного индикатора 3 определяем угол закручивания диска колеса, жестко связанного с силовым агрегатом - α, град., и угол наклона рычага механизма нагружения относительно горизонтальной плоскости - α, град. Дополнительно, при помощи индикаторов линейных перемещений 38 и/или визуально могут быть определены пространственные, измеренные в направлении трех взаимно перпендикулярных осей системы координат автомобиля, статические перемещения силового агрегата в зонах всех опор 5 подвески силового агрегата и опор 43 подвески системы выпуска отработавших газов двигателя, а также в контрольных точках силового агрегата 6, компоновочно расположенных в непосредственной близости от элементов моторного отсека кузова (щитка передка, рамки радиатора, опорной площадки аккумуляторной батареи и др.), модуля системы охлаждения двигателя (радиатора, электровентилятора, кожуха и др.), корпуса воздухоочистителя системы впуска двигателя и т.д.
кр
При определении статических жесткостных характеристик подвески силового агрегата, закручивающий силовой агрегат статический момент М, реализованный на диске ведущего колеса при помощи рычажного механизма нагружения заявляемого устройства, схема представлена на фиг.2, определяется по формуле:
М<sub>кр</sub>=g(МL+0.5m<sub>p</sub>I<sub>p</sub>)cos(α),
(3)
кр
где: М - момент закручивания силового агрегата, Н*м;
2
g - ускорение свободного падения, ~9.8 м/с;
М - общая масса набора грузов, кг;
p
m - масса трубы рычага, кг;
L - расстояние между осью маятника (осью диска колеса) и точкой крепления набора грузов, расположенной на трубе маятника, м;
p
I - длина трубы рычага, м;
α - угол наклона трубы маятника, град.
Максимальная величина момента, реализуемого на ведущих колесах переднеприводного автомобиля и закручивающего поперечно расположенный в моторном отсеке кузова силовой агрегат, которая соответствует режиму резкого трогания автомобиля на грани пробуксовки ведущих колес, определяется по формуле:
М<sub>кр.макс</sub>=gМ<sub>авт.</sub>k<sub>сц.</sub>βпер/100,
(4)
авт.
где: М - масса автомобиля, кг;
сц.
К - коэффициент сцепления ведущего колеса автомобиля с опорной поверхностью дороги;
пер
β - распределение общей массы автомобиля на ось ведущих (передних)колес, %.