Теоретическое обоснование выбора скоростного режима при ходовом тестовом экспресс-диагностировании агрегатов трансмиссии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность исследования определяется потребностью решения проблемы оперативного управления текущим техническим состоянием подвижного состава. Исходя из этого, мероприятия по техническому диагностированию приобретают важность ввиду того, что они позволяют оперативно выявить текущее техническое состояние рассматриваемого транспортного средства. При этом важно еще на стадии планирования диагностических мероприятий выбрать такие эксплуатационные режимы движения по тестовому участку, которые обеспечили бы наилучшую информативность проводимых тестовых заездов. Теоретическое обоснование выбора скоростных режимов заездов изучаемых транспортных средств по тестовому участку дороги при проведении экспресс-диагностирования являлось целью данной работы. Методы исследования: аналитическая механика, дифференциальные методы, методы матричного исчисления, математические численные методы. Основные результаты заключаются в предложении динамической модели трансмиссии транспортного средства, учитывающей возмущающие воздействия со стороны двигателя и со стороны опорного основания тестового участка, на котором проводятся диагностические заезды. Проводятся расчеты амплитудно-частотных характеристик виброускорений корпуса транспортного средства при его движении с заданными скоростями по моделируемому тестовому диагностическому участку. Практическая значимость проведенного исследования подтверждается результатами анализа полученных графиков, в ходе которого сделан вывод о наиболее виброопасных диапазонах частот. Это является важным, поскольку вибрации, возникающие на определённых частотах, напрямую зависящих от скоростей движения, как правило, вызывают наиболее интенсивные отклики в конкретных узлах и деталях агрегатов трансмиссии. Дальнейшие исследования связаны с теоретическим обоснованием выбора рациональных диапазонов скоростных режимов движения исследуемых транспортных средств на тестовом диагностическом участке опорного основания с учётом характеристик и особенностей его поверхностей. Результаты работы направлены на совершенствование системы технического обслуживания и ремонта подвижного состава автотранспортной техники, а именно, её диагностирования для определения наличия и степени развития эксплуатационных дефектов и повреждений, а также текущего технического состояния агрегатов трансмиссии.

Полный текст

Введение

Поддержание автотранспортной техники в постоянной оперативной готовности, связанное с управлением их параметрами технического состояния, является сложной и актуальной задачей. В ходе эксплуатации автотранспортная техника может быть ограничена по «живучести», при отсутствии каких-либо ограничений по проходимости. Это может явиться причиной полной, невозвратной потери транспортного средства в силу его сохранения на месте отказа. В этой связи значимым является техническое диагностирование, своевременное проведение которого позволит выявить транспортное средство, потеря подвижности по «живучести» которого будет идентифицировано как высоковероятное. Это позволит обосновано не назначать его на выполнение транспортной работы и избежать отказа, который может стать причиной схода с линии и неспособностью дальнейшего выполнения ею транспортной работы. Такое транспортное средство своевременно будет направлено на проведение ремонтно-технологических мероприятий, необходимых для восстановления работоспособности его элементов конструкции, в том числе, агрегатов трансмиссии. Это обуславливает необходимость выбора физических характеристик, позволяющих достоверно определить возникновение и развитие эксплуатационных повреждений в агрегатах трансмиссии с минимальными затратами труда.

В данной статье рассмотрено моделирование возмущающих воздействий на элементы трансмиссии транспортных средств, обусловленных движением по различным дорогам, а также работой двигателя. Известно, что в зависимости от них определённые конкретные агрегаты и узлы трансмиссии вибрационно нагружаются в большей степени, в то время, как остальные – в меньшей. В силу большого разнообразия опорных оснований, встречающихся в реальных условиях эксплуатации, при проведении расчётов моделируется движение по специальному тестовому диагностическому участку дороги изменяющегося известным образом микропрофиля, параметры которого заданы. Подбором скорости движения исследуемого транспортного средства при моделировании его движения по данному участку, научно обосновываются наиболее виброопасные эксплуатационные режимы для различных агрегатов трансмиссии. Цель работы – разработать теоретические основания для корректного подбора скоростного режима движения по тестовому диагностическому участку посредством составления комплексной динамической модели, обеспечивающей возможность выявления параметров колебаний силового агрегата, учитывая крутильные колебания в трансмиссии и возмущающие воздействия со стороны микропрофиля [1–3; 5–7]1.

Обзор и анализ литературы

В работах [3; 4; 11; 12; 19] авторы анализируют динамику механических агрегатов, работающих совместно с двигателями внутреннего сгорания, в том числе в составе трансмиссий транспортных средств. Предлагаются и рассчитываются физические, математические и имитационные модели машинных агрегатов. Их применение позиционируется авторами, в основном, для проработки вопросов, связанных с проектированием транспортных средств. Для цели, обозначенной в данной статье, авторы указанных источников предлагаемые ими динамические модели не позиционируют.

Рассмотрены работы аналогичной тематики [2; 7; 8; 9; 13; 17; 18; 20], в которых рассмотрено движение транспортно-технологических машин во взаимодействии их с опорным основанием. Рассматриваются вопросы вибродиагностики отказов и неисправностей механических коробок передач на основе динамических моделей их функциональных элементов с учетом возмущающих воздействий от перемещения по опорному основанию. Однако вопросам, связанным с разработкой теоретических оснований для корректного подбора скоростного режима движения по тестовому диагностическому участку, внимания не уделено.

В работах [1; 5; 6; 10; 15; 19] рассматриваются теоретические основы изучения динамических систем, подбора их параметров, а также математические описания. Вопросы практического приложения авторы данных статей подробно не рассматривают.

В проанализированных источниках [1–22] напрямую не рассматриваются вопросы оперативного управления техническим состоянием транспортных средств: разработки теоретических основ выбора рациональных диапазонов скоростных режимов движения исследуемых транспортных средств на тестовом диагностическом участке дороги с учётом характеристик и особенностей его поверхностей, что обуславливает актуальность проводимого исследования. На основании обзора и анализа использованных источников были сформулированы его актуальность и цель.

Составление эквивалентной динамической модели

В ходе создания модели динамики трансмиссии объектов исследования вводим следующие базовые допущения:

  • массы элементов конструкции транспортного средства полагаем сосредоточенными в центрах их инерции;
  • валы, обладающие упругими свойствами, представляются в виде упругих в угловом направлении стержневых звеньев, условно не обладающих собственной массой;
  • элементы, характеризующиеся неупругими сопротивлениями, представляются сопротивлениями условных сосредоточенных фрикционных муфт;
  • крутящие моменты в динамических звеньях с упругими связями ограничиваются максимальным моментом трения муфты сцепления и пределом по условию сцепления колес с опорным основанием.

В приведённой модели элементы конструкции корпуса и шасси представлены сосредоточенной инерционной подрессоренной массой mc. При моделировании заменяем её на многомассовую эквивалентную динамическую систему, приведённую на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Эквивалентная комплексная динамическая модель транспортно-технологического средства с колёсной формулой 4×4 для расчёта вертикальных, продольно – угловых, крутильных колебаний трансмиссии, а также пространственных колебаний силового агрегата при движении по различному опорному основанию

Источник: разработано автором на основе [13]

 

При этом целесообразно объединить массы правых и левых колёс ведущих мостов, а также жёсткости их полуосей ввиду практически полного их подобия при установившемся движении по однородному опорному основанию. Условные сосредоточенные фрикционные муфты введены как элементы, характеризующие пределы жёсткости по условию сцепления правого и левого задних колес с опорным основанием, исключаются из рассмотрения потому, что при движении по дороге без отрыва их пробуксовка незначительна даже при разгрузке моста. В модели вводятся условные демпфирующие элементы, учитывающие рассеивание энергии в трансмиссии (неконсервативной динамической системе), связанное с относительным перемещением её масс: m0, m1, m2, mса – массы корпуса (кузова), переднего, заднего моста в сборе с колесами, силового агрегата соответственно;

z0(t), z1(t), z2(t), zса(t) – линейные перемещения корпуса (кузова), переднего моста, заднего моста, силового агрегата;

C1ПМ,C2ПМ,C1ЗМ,C2ЗМ,С31,С32 – жесткости передних и задних колёс, передних и задних подвесок машины, опор силового агрегата;

k1ПМ,k2ПМ,k1ЗМ,k2ЗМ,k31,k32 – коэффициенты демпфирования передних и задних колёс, передних и задних подвесок машины, опор силового агрегата;

φ0x(t),φ0y(t),φсаx(t),φсаy(t) – угловые перемещения (колебания) корпуса (кузова) и силового агрегата;

С12, С23, С24, С46, С57, С67 – крутильные жёсткости силового агрегата, переднего и заднего карданных валов, переднего и заднего моста, полуосей переднего и заднего моста, тангенциальные жёсткости шин;

k12, k23, k24, k35, k46, k57, k67 – коэффициенты неупругого сопротивления силового агрегата, переднего и заднего карданных валов, полуосей переднего и заднего моста, тангенциальные податливости шин;

Сса, СПМ, СЗМ – жёсткости опор силового агрегата, а также упругих элементов передней и задней подвески на скручивание;

ε1(t), ε2(t) – возмущающие силы, действующие со стороны опорного основания;

Fa(t) – внешняя инерционная сила, действующая на силовой агрегат;

Te(t) – крутящий (возмущающий) момент, действующий со стороны двигателя;

Tf1(t), Tf2(t) – моменты сопротивления качению колёс (возмущающие моменты), действующие со стороны дороги;

l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7 – геометрические параметры эквивалентной динамической модели (объекта исследования).

В качестве объектов исследования выбраны транспортно-технологические средства (ТТС) 3007 «Кержак» и 3910 «Ункор». Приведем технические параметры, указанные на схеме, характерные для данных транспортных средств (таблица 1). Коэффициенты жесткости, демпфирования (неупругого сопротивления), конструкционных элементов, их моменты инерции определяются в ходе специализированных экспериментальных исследований и выбираются при моделировании в качестве исходных данных. Они приведены в источнике [15].

 

Таблица 1. Геометрические параметры объектов исследования для модели

Наименование

l1, м

l2, м

l3, м

l4, м

l5, м

l6, м

l7, м

ТТС 3007

1,725

1,725

2,150

0,250

0,155

1,525

0,050

ТТС 3910

1,350

1,350

1,420

0,182

0,075

0,653

0,120

Источник: разработано автором

 

Запишем общее уравнение аналитической механики для эквивалентной комплексной динамической модели транспортного средства с колёсной формулой 4×4, приведённой на рисунке 1. Исходя из особенностей построения данной системы, а также их соответствия положениям теоретической механики, составим его в дифференциальной форме Даламбера – Эйлера. На основании принятых ранее допущений полагаем исследуемую систему квазиконсервативной, т. е. практически полностью соответствующей теореме о сохранении полной механической энергии [4; 8–12]2. В таком случае мы имеем возможность записать её энергетический баланс на основе принципа Гамильтона:

δt0t1(T-П)dt=0, (1)

где

Т – кинетическая энергия рассматриваемой динамической системы,

П – потенциальная энергия рассматриваемой динамической системы,

(t0, t1) – временной отрезок рассмотрения динамики системы (интегрирования).

Для рассматриваемой динамической модели составим выражения для кинетической и потенциальной энергий, а также функции Рэлея:

Кинетическая энергия системы:

T=12(m1z˙12+m2z˙22+m0z˙02+I0φ˙02+mсаz˙са2+Iсаyφ˙саy2+Iсаxφ˙саx2+I1φ˙12+I2φ˙22+I3φ˙32 (2)

+I4φ˙42+I5φ˙52+I6φ˙62+I7φ˙72+IПМφ˙ПМ2+IЗМφ˙ЗМ2).

Потенциальная энергия системы:

П=12(2С1ПМ+С2ПМz12+2С2ПМz02+l1φ02+2С1ЗМ+С2ЗМz22+2С2ЗМz02l2φ02

2С2ПМ+С2ЗМz02+2l1C2ПМl2C2ЗМφ02+2С31z02l3φ02+С32z02+l4φ02

2С2ПМl12+С2ЗМl22φ02+2С2ПМl1С2ЗМl2z02+2C31z02+l3φ02+C32l4z02+l4φ02

CПМφ02φПМ2+CЗМφ02φЗМ2+2C31zca2+l6φcay2+C32zca2l7φcay2

2С2ПМz12+2С2ЗМz22+2C31l3zca2+l6φcay2+C32l4zca2+l7φcay2+2l1С2ПМz12 (3)

2l2С2ЗМz22+2C31+C32zca2+2C31l6+C32l7φcay2+2C31z02+l3φ02

С32z02+l4φ02+2C31l62+C32l72φcay2+2C31l6+C32l7zca2+2C31l6z02+l3φ02

С32l7z02+l4φ02+C12φ12φ22+φcax2+Ccaφcax2φ02+C23φ22φ32

С24φ22φ42+С35φ32φ52+φПМ2+С46φ42φ62+φЗМ2+С57φ02φПМ2

C67φ62φ72+CСМφ02φПМ2+CЗМφЗМ2).

Диссипативная функция Рэлея:

R=12(2k1ПМ+k2ЗМz˙12+2k2ПМz˙02+l1φ˙02+2k1ЗМ+k2ЗМz˙22+2k2ЗМz˙02l2φ˙02

2k2ПМ+k2ЗМz˙02+2l1k2ПМl2k2ЗМφ˙02+2k31z˙02+l3φ˙02+k32z˙02+l4φ˙02

2k31z˙ca2+l6φ˙cay2+k32z˙ca2l7φ˙cay2+2k2ПМz˙12+2k2ЗМz˙22+2k2ПМl12+k2ЗМl22φ˙02

2k1ПМl1k2ЗМl2z˙02+2k31l3z˙02+l3φ˙02+k32l4z˙02+l4φ˙02+2k31l3z˙са2+l6φ˙cay2 (4)

k32l4z˙ca2l7φ˙cay2+2l1k2ПМz˙12+2l2k2ЗМz˙22+2k31+k32z˙ca2

2k31l6k32l7φ˙cay+2k31z˙02+l3φ˙02+k32z˙02+l4φ˙02+2k31l62k32l72φ˙cay

2k31l6k32l7z˙ca2+2k31l6z˙02+l3φ˙02+k32l7z˙02+l4φ˙02+k12φ˙12φ˙22+φ˙cax

k23φ˙22φ˙32+k24φ˙22φ˙42+k35φ˙32φ˙52+φ˙ПМ2+k46φ˙42φ˙62+φ˙ЗМ2

k57φ˙52φ˙72+k67φ˙62φ˙72).

На основании записанных нами выражений энергий исследуемой динамической системы составим общее уравнение аналитической механики в форме Лагранжа второго рода. В качестве обобщённых координат выбираем элементарные угловые перемещения φi динамических звеньев системы относительно собственных осей.

ddtTq˙+Rq˙TПq=Ft. (5)

Для рассматриваемой системы оно запишется следующим образом:

m1z¨1+2k1ПМ+k2ПМz˙1+2C1ПМ+C2ПМz12k2ПМz˙0+l1φ˙02C2ПМz0+l1φ0=2k1ПМε˙1t+2C1ПМε1t

m2z¨2+2k1ЗМ+k2ЗМz˙2+2C1ЗМ+C2ЗМz22k2ЗМz˙0l1φ˙02C2ЗМz0l2φ0=2k1ЗМε˙2t+2C1ЗМε2t

m0z¨0+2k2ПМ+k2ЗМz˙0+2C2ПМ+C2ЗМz0+2k2ПМl1k2ЗМl2φ˙0+2С2ПМl1С2ЗМl2φ0+2k31z˙0+l3φ˙0

2C31z0+l3φ0+k32z˙0+l4φ˙0+C32z0+l4φ0=2k31z˙ca+l6φ˙cay+2C31zca+l6φcay

k32z˙cal7φ˙cay+2k2ПМz˙1+2C2ПМz1+2k2ЗМz˙2+2C2ЗМz2

I0φ¨0+2k2ПМl12+k2ЗМl22φ˙0+2С2ПМl12+С2ЗМl22φ0+2k2ПМl1k2ЗМl2z˙0+2С2ПМl1+С2ЗМl2z0

2k31l3z˙0+l3φ˙0+2C31l3z0+l3φ0+k32l4z˙0+l4φ˙0+C32l4z0+l4φ0+CПМφ0φПМ

СЗМφ0φЗМ=2k31l3z˙ca+l6φ˙cay+2C31l3zca+l6φcay+k32l4z˙ca+l7φ˙cay+C32l4zca+l7φcay

2l1k2ПМz˙1+С2ПМz12l2k2ЗМz˙2+С2ЗМz2 (6)

mcaz¨ca+2k31+k32z˙ca+2C31+C32zca+2k31l6k32l7φ˙cay+2C31l6C32l7φ˙cay=2k31z˙0+l3φ˙0

2C31z0+l3φ0+k32z˙0+l4φ˙0+C32z0+l4φ0+Fat

Icayφ¨cay+2k31l62+k32l72φ˙cay+2C31l62+C32l72φcay+2k31l6+k32l7z˙ca+2C31l6+C32l7zca=

=2k31l6z˙0+l3φ˙0+2C31l6z0+l3φ0k32l7z˙0+l4φ˙0C32l7z0+l4φ0Fatl7

Icaxφ¨cax+k12φ˙1φ˙2+φ˙cax+С12φ1φ2+φcax+Ccaφcaxφ0=0

I1φ¨1+k12φ˙1φ˙2+φ˙cax+С12φ1φ2+φcax=Tвt

I2φ¨2k12φ˙1φ˙2+φ˙caxС12φ1φ2+φcax+k23φ˙2φ˙3+С23φ2φ3+k24φ˙2φ˙4.

С24φ2φ4=0

I3φ¨3k23φ˙2φ˙3С23φ2φ3+k35φ˙3φ˙5+φ˙ПМ+С35φ3φ5+φПМ=0

I4φ¨4k24φ˙2φ˙4С24φ2φ4+k46φ˙4φ˙6+φ˙ЗМ+С46φ4φ6+φЗМ=0

I5φ¨5k35φ˙3φ˙5+φ˙ПМС35φ3φ5+φПМ+k57φ˙5φ˙7+С57φ5φ7=Tf1t

I6φ¨6k46φ˙4φ˙6+φ˙ЗМС46φ4φ6+φЗМ+k67φ˙6φ˙7+С67φ6φ7=Tf2t

I7φ¨7k57φ˙5φ˙7С57φ5φ7k67φ˙6φ˙7С67φ6φ7=0

IПМφ¨ПМ+k35φ˙3φ˙5+φ˙ПМ+С35φ3φ5+φПМСПМφ0φПМ=0

IЗМφ¨ЗМ+k46φ˙4φ˙6+φ˙ЗМ+С46φ4φ6+φЗМСЗМφ0φЗМ=0

Вычисление характеристик составленной модели

Поскольку мы имеем дело с диссипативной динамической колебательной системой с конечным числом степеней свободы, то для упрощения решения системы дифференциальных уравнений необходимо записать её в матричной форме [11; 14; 16–19; 22]. Представление системы дифференциальных уравнений (6) в матричной форме (7) также упрощает её решение. Используем для этого преобразование Лапласа. При этом применим прямое преобразование к каждому члену системы уравнений, рассматриваемому как функция действительной переменной. Получим систему алгебраических уравнений для изображений членов системы уравнений (6). Для корректности применения преобразования Лапласа введём следующие допущения:

  • силовой агрегат и кузов транспортного средства являются абсолютно твёрдыми телами с массами, сосредоточенными в центрах инерции;
  • эквивалентная колебательная система является линейной;
  • рассматриваются колебания транспортного средства в продольной и вертикальной плоскости, а также крутильные колебания в трансмиссии;
  • колебания правого и левого борта машины протекают одинаково.

Mxi¨+Kxi˙+Cxi=Qt, (7)

где

xi – вектор – столбец линейных перемещений и угловых колебаний инерционных масс,

М – матрица инерционных коэффициентов элементов системы,

С – матрица коэффициентов линейной и угловой жёсткости,

К – матрица коэффициентов демпфирования,

Q(t) – вектор – столбец возмущающих сил и моментов.

M=m10000000000000000m20000000000000000m00000000000000000I00000000000000000mca0000000000000000Icay0000000000000000Icax0000000000000000I10000000000000000I20000000000000000I30000000000000000I40000000000000000I50000000000000000I60000000000000000I70000000000000000IПМ0000000000000000IЗМ (8)

X=z1z2z0φ0zcaφcayφcaxφ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φПМφЗМ Q(t)=2k1ПМε˙1(t)+2C1ПМε1(t)2k2ПМε˙2(t)+2C2ПМε2(t)00Fa(t)Fa(t)l70Te(t)0000γ[2k1ПМε˙1(t)+2C1ПМε1(t)]γ[2k2ПМε˙2(t)+2C2ПМε2(t)]00, (9)

здесь ε2t=ε1t+τ – возмущающее воздействие на задние колеса со стороны дороги;

τ=l1+l2Va – интервал времени, требующийся для проезда неровности опорной поверхности автотранспортным средством,

где

l1 – расстояние от центра масс до передней оси,

l2 – расстояние от центра масс до задней оси,

Va – скорость движения машины.

Полученная система алгебраических уравнений решается относительно изображений искомых функций комплексной переменной. Введём следующие обозначения связей, формируемых с помощью преобразования Лапласа:

Lft=˙Fs,

Lf˙t=˙sFsf0, (10)

Lf¨t=¨s2Fsf˙0f0,

где

s = u + jw – значение комплексной переменной Лапласа.

При определении реакции системы на единичный импульс, (преодоление машиной единичной неровности), т. е. передаточной функции, её начальное состояние для перемещения и скоростей выбирается в момент времени t = 0 (f˙0=0 и f (0) = 0). Согласно правилу 2 первой теоремы смещения преобразования Лапласа рассматриваемая реакция системы запишется в виде:

Lqtτ=etsSq=ejwl1+l2VaSε. (11)

Система дифференциальных уравнений, представленная в матричном виде (7) после преобразования Лапласа, запишется в следующем виде:

LMx¨1+kx˙i+Cxi=LQt, (12)

 ω2M+jωC+KWjω=G.

Из уравнения (12) можно алгебраически выразить амплитудно-частотную характеристику колебательной системы, рассматриваемой на рисунке 1.

Wjω=GD,, (13)

где

W() – амплитудно-частотная характеристика колебательной системы,

D=ω2M+jωC+K – вектор – строка, определяющий характер возмущения системы,

G – вектор – столбец, определяющий характер возмущения системы.

G=2k1ПМjw+2C1ПМ2k1ПМjw+2C1ПМejwl1+l2Va001l7010000γ2k1ПМjw+2C1ПМγ2k1ПМjw+2C1ПМejwl1+l2Va00 (14)

Выполненные преобразования Лапласа (10) – (12) будут применимы для любого динамического звена эквивалентной модели колебательной системы ТТС, рассмотренной в работах [15; 20]. Можно выбирать любое из них для последующего вычисления амплитудно-частотной характеристики колебательного процесса (вертикальное ускорение какой-либо точки кузова, колебания агрегатов трансмиссии относительно кузова и т. п.). В зависимости от особенностей выбора и характеристик выбранного динамического звена будет изменяться характер и вид амплитудно-частотной характеристики W().

Вычислим средние квадратические значения виброускорений силового агрегата ТТС с колесной формулой 4×4 при возмущающем воздействии на неё случайных неровностей микропрофиля некоторых типов опорного основания в процессе его движения. Наиболее удобно провести указанные вычисления в программной среде MathLAB. Для упрощения их восприятия приведём на рисунке 2 блок-схему алгоритма определения средних квадратических значений виброускорений силового агрегата, реализуемого в среде MathLAB.

 

Рисунок 2. Блок-схема вычисления средних квадратических значений виброускорения при случайном возмущающем воздействии со стороны дороги и двигателя

Источник: разработано автором

 

Спектральные плотности колебаний силового агрегата при проведении расчетов посредством реализации блок-схемы вычисляются по следующим формулам:

Szω=Wzjω2Sqω,, (15)

Sz¨ω=ω4Wzjω2Sqω.. (16)

Средние квадратические значения виброускорений вычисляются по следующей формуле:

σz¨=+Sz¨ωdω. (17)

При приложении к различным входам системы нескольких случайных возмущающих сигналов, носящих стационарный характер, спектральная плотность сигнала на выходе вычислится:

SqΣ=i=1nWqijω2Sqiω,, (18)

где

n – количество входов возмущающего воздействия.

Спектральную плотность вертикальных колебаний силового агрегата транспортного средства при воздействии микропрофиля тестового диагностического участка и двигателя вычислим по формуле:

Sqcaω=Wε1cajω2Sε1ω+Wε2cajω2Sε2ω+WTecajω2SqTeω

WFacajω2SqFaω+WTf1cajω2STf1ω+WTf2cajω2STf2ω., (19)

где

Wε1cajω2 и Wε2cajω2 – квадраты модуля частотных характеристик воздействия неровностей дороги на передний и задний мост ТТС и на его силовой агрегат;

WTecajω2 и WFacajω2 – квадраты модуля частотных характеристик воздействия крутящего момента и сил инерции на силовой агрегат;

WTf1cajω2 и WTf2cajω2 – квадраты модуля частотных характеристик воздействия моментов сопротивления движению на передний и задний мост ТТС и на его силовой агрегат;

Sε1ω и Sε2ω – спектральные плотности колебаний переднего и заднего мостов;

SqTeω и SqFaω – спектральные плотности колебаний, связанных с крутящим моментом, генерируемым двигателем и силами инерции, действующими на двигатель;

STf1ω и STf2ω – спектральные плотности колебаний, связанных с воздействием моментов сопротивления движению дороги на передний и задний мост ТТС.

На основании блок-схемы, представленной на рисунке 2, в программной среде MathLAB составим алгоритм вычисления спектральных характеристик виброускорений силового агрегата ТТС при моделировании их движения по грунтовому, а также по крупнобулыжному дорожному основанию тестового диагностического участка, и проведем расчетно–теоретическое экспериментальное исследование. Тип опорного основания при моделировании выбирается как наиболее часто встречающийся в рассматриваемых районах эксплуатации (Сибирь, Дальний Восток).

Результаты и выводы

На рисунке 3 приведены примеры результатов выполненных в программной среде MathLAB вычислений спектральных плотностей виброускорений силового агрегата ТТС, при моделировании их движения по грунтовому и крупнобулыжному дорожному основанию тестового диагностического участка.

 

Рисунок 3. Графики зависимости спектральных плотностей виброускорений силового агрегата ТТС 3007 «Кержак» от скорости его движения, рассчитанные для разных случаев движения: а) на 1-й ступени в трансмиссии по разбитой грунтовой дороге, б) на 2-й ступени в трансмиссии по разбитой грунтовой дороге, в) на 3-й ступени в трансмиссии на крупнобулыжном участке дороги, г) на 4-й ступени в трансмиссии на твёрдом грунтовом участке дороги

Источник: разработано автором

 

В частности, представлены графики расчетных спектральных плотностей виброускорений, вычисленные при моделировании движения ТТС «Кержак» со скоростями 20 км/ч на 1-й, 2-й ступенях в трансмиссии и 4-й ступени на скорости 40 км/ч – по грунтовому дорожному основанию тестового диагностического участка, а также на 3-й ступени на скорости 40 км/ч – по крупнобулыжному дорожному основанию тестового участка. Данные тестовые диагностические режимы движения представляются предпочтительными в плане информативности при проведении экспресс-диагностики агрегатов трансмиссии по характеристикам их вибрационной нагруженности в ходе эксплуатации. Анализ полученных графиков удобнее провести в табличной форме. Из таблицы 2 видно, что расчетные величины виброускорений колебаний силового агрегата ТТС при моделировании их движения по грунтовому и крупнобулыжному дорожному основанию тестового диагностического участка со скоростью 20 км/ч на 1-й и 2-й ступенях в трансмиссии, главным образом, обусловлены воздействиями со стороны микропрофиля тестового диагностического участка, чем крутильными колебаниями в трансмиссии (их доля менее 1%).

 

Таблица 2. Влияние неровностей дороги и работающего двигателя на колебания силового агрегата ТТС

 

Значения виброускорений силового агрегата

Вертикальных

Продольно – угловых

неровности дороги

силы инерции

крутящий момент

неровности дороги

силы инерции

крутящий момент

Движение на 2-й передаче по разбитой грунтовой дороге

≈77%

≈22%

≈1%

≈97%

≈2%

≈1%

Движение на 3-й передаче на крупнобулыжном участке дороге

≈70%

≈29%

≈1%

≈96%

≈3%

≈1%

Движение на 4-й передаче на участке с твердым грунтовым покрытием

≈16%

≈83%

≈1%

≈60%

≈39%

≈1%

Источник: разработано автором

 

Влияние воздействий со стороны дороги достигло 77% при моделировании движения на 2-й передаче по разбитой грунтовой дороге и 70% – на 3-й передаче на крупнобулыжном участке. При моделировании движения на 4-й передаче на твёрдом грунтовом участке дороги наибольшее влияние оказывали инерционные силы в трансмиссии (до 83%). В двух предыдущих случаях их доля составляет 29% и 22% соответственно.

Анализ графиков, приведенных на рисунке 3, даёт возможность разделить частотную область данных спектральных характеристик на пять диапазонов. В каждом из них наблюдаются всплески спектральных плотностей виброускорений, обусловленные влиянием динамики элементов конструкции объектов исследования при их движении по различному опорному основанию с различными скоростями:

  • в диапазоне № 1 (f1 = 0 – 1 Гц) повышение амплитуд спектральной плотности виброускорений силового агрегата исследуемых ТТС объясняется резонансными явлениями в подвеске. В блок-схеме (рисунок 2) и формуле (16) оно выражается в возрастании величин её передаточной функции. Это означает то, что при данных режимах движения подрессоренная масса ТТС над задним мостом интенсивно раскачивается;
  • в диапазоне № 2 (f2 = 1 – 4 Гц) увеличение амплитуд спектральной плотности виброускорений силового агрегата можно объяснить резонансными явлениями, связанными с воздействием микропрофиля дороги, увеличивающимся при повышении скоростей движения по любому из выбранных опорных оснований;
  • в диапазоне № 3 (f3 = 4 – 8 Гц) увеличение амплитуд спектральной плотности виброускорений силового агрегата объясняется резонансными явлениями, в вертикальных и продольно-угловых направлениях его самого на собственных частотах;
  • в диапазоне № 4 (f4 = 8 – 20 Гц) увеличение амплитуд спектральной плотности виброускорений силового агрегата не отмечается. Известно, что в данном диапазоне находится собственная частота вертикальных колебаний коробки передач и раздаточной коробки объектов исследования. Однако, исходя из характера полученных расчетных графических зависимостей, можно сделать вывод о том, что в указанном частотном отрезке амплитудных резонансных явлений не наблюдается при любой скорости движения по любому из выбранных опорных оснований;
  • в диапазоне № 5 (f5 = 20 – 100 Гц) некоторое повышение амплитуд спектральной плотности виброускорений силового агрегата исследуемых ТТС, особенно с увеличением их скорости движения, связано с резонансными явлениями, обусловленными вращением коленчатого вала двигателя при работе в диапазоне частот 600…6000 мин-1. Следует отметить, что наиболее ярко выраженный амплитудный всплеск наблюдается на рисунке 3, г, что можно объяснить относительно высоким скоростным режимом [20–22].

Заключение

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что установлены новые теоретические зависимости, обосновывающие влияние эксплуатационных режимов движения ТТС по различным опорным основаниям на характеристики вибрационных процессов, протекающих в агрегатах их трансмиссии.

Теоретическая ценность для развития отрасли эксплуатации автомобильного транспорта заключается в том, что выявленные закономерности вносят вклад в изучение эффективности управления техническим состоянием и совершенствования оценки их эксплуатационных свойств. А именно, предлагаемая модель обеспечивает возможность теоретически определить наиболее значимые скоростные режимы движения, на которых рациональнее всего проводить заезды по тестовому диагностическому участку, а также то, какие агрегаты и узлы автотранспортного средства подвержены при этом наибольшему вибрационному нагружению. Это позволяет при заездах выбрать такие скорости движения по тестовому участку, которые позволяют в незначительные сроки выявить наличие какого-либо дефекта или повреждения элемента трансмиссии.

 

1 Вибрации в технике: справочник: в 6-ти т. / ред. совет: В. Н. Челомей (пред., гл. ред.) [и др.]; – М.: Машиностроение, 1981. – Т. 5. Измерения и испытания / под ред. М. Д. Генкина.– 496 с.

2 Вибрации в технике: справочник: в 6-ти т. / ред. совет: В. Н. Челомей (пред., гл. ред.) [и др.]; – М.: Машиностроение, 1981. – Т. 6. Защита от вибрации и ударов / под ред. К. В. Фролова – 456 с.

×

Об авторах

Константин Ярославич Лелиовский

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: kleliovskiy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0962-3303
Scopus Author ID: 57208470566

кандидат технических наук, доцент кафедры строительных и дорожных машин

Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Банах Л. Я. Упрощение расчетных схем динамических систем // Колебания и динамическая прочность машин. – М.: Наука, 1976. – С. 39–46.
  2. Беккер М. Г. Введение в теорию систем местность – машина Ч. 1. Местность. Ч. 2. Машина / Пер. с англ. д-ра техн. наук В. В. Гуськова.– М.: Машиностроение, 1973. –520 с.
  3. Белабенко Д. С., Альгин В. Б. Моделирование переходного процесса гидромеханической передачи с блоком взаимодействующих фрикционов // Вестник Белорусско-Российского университета. – 2019. – № 3 (64). – С. 5−14. – https://doi.org/10.53078/20778481_2019_3_5. – EDN: GUIPFE.
  4. Вейц В. Л., Кочура А. Е. Динамика машинных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания – Л.: Машиностроение, 1976. – 383 с.
  5. Вейц В. Л., Кочура А. Е. О математическом описании голономных механических систем // Прикладная механика. – 1975. – Т. 9. – №. 11. – С. 23–28.
  6. Галевский Е. А., Спицын А. В. Комплексный подход к выбору элементов динамической модели трансмиссии // Проектирование колесных машин: материалы междунар. симпоз., посвящ. 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана. – М., 2005 – С. 150–161.
  7. Лелиовский К. Я. Расчет динамической модели трансмиссии поступательно движущегося по неровной пересеченной местности транспортно-технологического средства в приполярных Арктических регионах // Арктика: инновационные технологии, кадры, туризм – 2021. – № 1(3). – С. 82–89. – EDN: MRACUN.
  8. Лелиовский К. Я. Разработка методики виброакустической оценки нагруженности и дефектов коробок передач колёсных машин: дис. …канд. техн. наук. – Нижний Новгород, 2008. – 253 с.
  9. Малашков И. И., Зельцер Е. А. Исследование зависимости динамических нагрузок трансмиссии автомобиля от схем приведения ее масс и податливостей// Конструкции автомобилей. Экспресс – информация. – 1977 – № 8. – С. 29–37.
  10. Определение коэффициентов демпфирования в трансмиссии автомобиля / Н. А. Бухарин [и др.] // Автомобильная промышленность – 1974. – № 11. – С. 30–31.
  11. Силовые передачи транспортных машин: динамика и расчёт / С. В. Алексеева [и др.]. – Л: Машиностроение, 1982 – 256 с.
  12. Тараторкин А. И. Прогнозирование и снижение динамической и виброакустической нагруженности энергосиловых блоков колесных и гусеничных машин на основе совершенствования модальных свойств: монография – Курган: Курганский государственный университет, 2021. – 200 с.
  13. Шупляков В. С. Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля – М.: Транспорт, 1974. – 328 с.
  14. Board D. B. (1977) Incipient failure detection for helicopter drive trans. AIAA Pap., No. 898, pp. 1–11.
  15. Harting D. R. (1978) Demodulated resonance analysis – аpowerful incipient failure detection technique, ISA Transactions, Vol. 17. No. 1, pp. 35–40.
  16. Hodges T. (2003) Development of refined friction materials – Proceedingsof the 5-th International symposium of friction products and materials. Yarofri.Yaroslavl, pp. 203–208.
  17. Leliovsky K. Ya., Makarov V. S., Belyakov V. V. (2019) Vibration load of transmission units at vehicle’s motion over different roads,Journal of Physics: IOP Conference Series, Vol. 1177. No. 012053, – https://doi.org/10.1088/1742-6596/1177/1/012053
  18. Monk R. (1979) Machinery health monitoring: Some common defects,J.Noise control vibration, Vol. 10. No. 1, pp. 24–26.
  19. Olshevskiy Alexander, Olshevskiy Alexey, Chang-Wan Kim & Hyun-Ik Yang (2018) An improved dynamic model of friction draft gear with a transitional characteristic accounting for housing deformation,Vehicle System Dynamics: International Journal of Mechanics & Mobility, Vol. 56. Is. 10, рр. 1471–1491, – https://doi.org/10.1080/00423114.2017.1415453.
  20. Schell J. et al. (2006) Three dimensional vibration testing in automotive application utilizing a new non-contact scanning method,SAE 2006 World Congress & Exhibition – https://doi.org/10.4271/2006-01-1095.
  21. Taratorkin A., Derzhanskii V., Taratorkin I. (2020) Improving the Quality of Transmission Shifting Transients Due to Controlling Torque Redistribution, Journal of Vibration Engineering & Technologies, Vol. 8. Is. 3, рр. 431–441. – https://doi.org/10.1007/s42417-019-00183-4.
  22. Tseng J.-G., Wickert J.A. (1994) On the vibration of bolted plate and flange assemblies, Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 116(4), pp. 468–473. – https//doi.org/10.1115/1.2930450.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рисунок 1. Эквивалентная комплексная динамическая модель транспортно-технологического средства с колёсной формулой 4×4 для расчёта вертикальных, продольно – угловых, крутильных колебаний трансмиссии, а также пространственных колебаний силового агрегата при движении по различному опорному основанию

Скачать (179KB)
3. Рисунок 2. Блок-схема вычисления средних квадратических значений виброускорения при случайном возмущающем воздействии со стороны дороги и двигателя

Скачать (68KB)
4. Рисунок 3. Графики зависимости спектральных плотностей виброускорений силового агрегата ТТС 3007 «Кержак» от скорости его движения, рассчитанные для разных случаев движения: а) на 1-й ступени в трансмиссии по разбитой грунтовой дороге, б) на 2-й ступени в трансмиссии по разбитой грунтовой дороге, в) на 3-й ступени в трансмиссии на крупнобулыжном участке дороги, г) на 4-й ступени в трансмиссии на твёрдом грунтовом участке дороги

Скачать (565KB)

© Лелиовский К.Я., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».