UDK 629.3.015 Механика и динамика взаимодействия транспортных средств с окружающей средой
In order to identify the reasons for the decrease in the efficiency of vehicles equipped with traditional suspension designs and to identify promis-ing areas for improving their efficiency, an analysis was made of the results of a review of studies obtained in the scientific field under consideration by foreign and Russian scientists. The article substantiates the relevance of increasing the efficiency of suspensions of specialized trucks and road trains operated in difficult changing climatic and road conditions. The main disadvantages that appear during the operation of vehicles equipped with traditional suspension designs are given. The consequences of the operation of such vehicles equipped with traditional suspension designs in conditions of a low level of road infrastructure are listed. The advantages of hydropneumatic suspensions, leaf springs made of composite materials in comparison with steel springs, independent suspension structures over dependent ones, semiactive air suspensions over passive and active ones, as well as regenerative suspensions are considered. The dependences of the change in the time between failures of the elements of the spring suspension, the estimated durability of the spring on the speed of movement, the acceleration of the sprung mass of the trailer of a road train when driving over bumps, the resistance forces of the hydraulic shock absorber on the ambient tem-perature are presented. The dependences of the change in natural frequencies and the damping coefficients of oscillations of the sprung and un-sprung masses of the car with an increase in the mass of its sprung part are given. The perspective directions for increasing the efficiency of suspensions of timber trucks and road trains identified as a result of the analysis are given.
TIMBER CAR, ROAD, SUSPENSION, EFFICIENCY, DYNAMIC LOADS, GROUND CLEARANCE, FUEL CONSUMP-TION, COMFORT, RELIABILITY, TIRE WEAR, TRAFFIC SAFETY.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Эффективность процесса вывозки лесоматериалов лесовозными автомобилями (ЛА) в сложных изменяющихся природно-климатических и дорожных условиях во многом зависит от технического уровня и свойств их подвесок. Это связано с тем, что традиционные конструкции зависимых подвесок ЛА плохо адаптированы к пониженным температурам в зимний период времени, недостаточно приспособлены к движению по лесовозным дорогам (ЛД), которые, как правило, относятся к низкому уровня обустроенности. Кроме этого, такие подвески обладают высокой металлоемкостью, ограничивают углы поворота управляемых колес, увеличение дорожного просвета из-за высокого центра тяжести ЛА, снижают проходимость и поперечную устойчивость загруженного лесоматериалами ЛА, а также препятствуют полезному использованию межколесного подрамного пространства. Движение ЛА в таких условиях сопровождается преждевременным выходом из строя резиновых и полимерных деталей подвесок, воздействию на элементы конструкции подвесок критических нагрузок, повышающих вероятность возникновения в них аварийных повреждений, и являющихся причиной появления частых отказов. Дополнительно к этому, преодоление ЛА в процессе вывозки лесоматериалов различных неровностей на ЛД, приводит к дополнительному расходу энергии на гашение элементами подвески колебаний подрессоренной массы ЛА и от взаимодействия с этими неровностями опорной поверхности [1-5].
Основными негативными последствиями эксплуатации ЛА с традиционными конструкциями подвесок в рассматриваемых дорожных условиях, являются следующие: разрушение дорожного покрытия ЛД; не полная реализация эксплуатационных возможностей ЛА; повышение интенсивности износа амортизаторов и шин, ухудшение условий работы агрегатов и узлов; снижение показателей надежности и срока службы ЛА; повышение уровня вибраций и динамических нагрузок, воспринимаемых деталями ЛА при движении по неровностям ЛД; ухудшение акустических показателей внутри кабины ЛА; рост потерь времени ЛА в результате простоев ЛА в ремонте, увеличение затрат на восстановительный ремонт деталей подвески; ухудшение устойчивости, управляемости и безопасности движения ЛА; снижение скоростей движения ЛА, увеличение тормозного пути; повышение расхода топлива, ухудшение производительности, плавности хода; повышенная утомляемость водителя; увеличение транспортных расходов и себестоимости вывозимых лесоматериалов.
Снижение вышеприведенных негативных последствий можно добиться путем повышения уровня обустроенности ЛД, а также за счет разработки и исследования новых конструкций подвесок, практическое применение которых позволит снизить динамическое нагружение несущих конструкций ЛА от воздействия неровностей опорной поверхности ЛД. Совершенство конструкций подвесок, используемых в ЛА, оценивается их приспособленностью к использованию в заданных условиях эксплуатации, достигаемой за счет повышения эффективности, обеспечивающую максимальную производительность ЛА при минимальных денежных затратах. В этой связи, анализ основных причин недостаточного совершенства конструкции подвесок ЛА, а также обоснование перспективных направлений, обеспечивающих повышение эффективности их функционирования в заданных условиях эксплуатации, является важной и актуальной научно-технической задачей.
2 Материалы и методы
Результаты материалов статьи получены на основе анализа результатов исследований, полученных зарубежными и российскими учеными, область научных интересов которых связана с повышением эффективности существующих конструкций подвесок, применяемых в грузовых автомобилях и автопоездах специального назначения. Поисковыми базами при выполнении сбора информации для анализа являлись: Google Scholar, РГБ, Elibrary, Scopus. В качестве источников для анализа выступали статьи на английском и руссом языках, авторефераты, тексты диссертаций и монографий. Глубина поиска составила интервал с 1969 г. по 2022 г. Ключевыми словами при выполнении поисковых запросов являлись: грузовой автомобиль, подвеска, дорога, лесовозный автопоезд, надежность, неровности, эффективность, демпфирование, расход топлива, динамические нагрузки, безопасность движения.
3 Результаты исследования
Результаты исследований, посвященных улучшению характеристик подрессоривания грузовых автомобилей, снижению массогабаритных параметров их подвесок, представлены во множестве публикаций, как зарубежных, так и российских ученых.
Tadesse B.A. и Fatoba O. в своей статье рассмотрели возможность применения композитных материалов для изготовления листовых рессор, используемых в подвесках грузовых автомобилей. Полученные на основе математического моделирования результаты сравнения характеристик листовых рессор изготовленных из стали и композитных материалов, показали, что масса листовых рессор, изготовленных из композитных материалов на 8-9 % меньше массы стальных рессор, а прочность на 8-8,5 % больше прочности рессор, изготовленных из стального листа [6].
Topac M.M. и др. в своей статье описывают актуальность применения в конструкциях грузовых автомобилей передних независимых подвесок. Конструкции зависимых традиционных подвесок, используемых в грузовых автомобилях, обладают более высокой неподрессоренной массой, которая отрицательно влияет на контакт колеса с дорогой, динамику управляемости, а также на комфорт при движении [7].
Davis L. в своей работе исследовал изменение динамических нагрузок, воздействующих на пневматическую подвеску тягача с полуприцепом, эксплуатируемого в условиях недостаточно обустроенных дорог с различными скоростями и загруженностью. Установлено, что при движении автопоезда на высоких скоростях по таким дорогам его передний мост воспринимает в 4,5 раза большие динамические нагрузки, чем при движении по обустроенным дорогам. Снизить воздействие динамических нагрузок на передний мост автопоезда, а также повысить его поперечную устойчивость предлагается путем использования в конструкции пневматической подвески более крупных продольных воздуховодов [8].
1. Nikonov V. O. Sovremennoe sostoyanie, problemi i puti povisheniya effektivnosti lesovoznogo avtomobilnogo transporta [Current state, problems and ways to improve the efficiency of timber road transport]. Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "VGLTU". - Voronezh, 2021. - 202 p. Access mode : https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45694525. (In Russ.).
2. Posmetev V. I., Nikonov V. O., Posmetev V. V. Analiz effektivnosti i klassifikaciya uprugih ustroistv, ispolzuemih v tradicionnih i novih podveskah kolesnih mashin [Efficiency analysis and classification of elastic devices used in traditional and new suspensions of wheeled vehicles]. Voronezh Scientific and Technical Bulletin. - 2017. - V. 1, № 1 (19). - S. 78-89. Access mode : http://vestnikvglta.ru/arhiv/1/78-89.pdf - Head. from the screen. (In Russ.).
3. Nikonov V. O., Posmetev V. I., Sviridov D. L., Borodkin V. O. Sostoyanie i perspektivi sovershenstvovaniya konstrukcii gidropnevmaticheskih podvesok kolesnih mashin [Status and prospects for improving the design of hydropneumatic suspensions of wheeled vehicles]. Voronezh Scientific and Technical Bulletin. - 2019. - V. 2, № 2 (28). - S. 19-37. Access mode : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2019/2-28-2019/19-37.pdf - Head. from the screen. (In Russ.).
4. Nikonov V. O., Posmetev V. I., Sizmin I. V., Borodkin V. O. Analiz konstruktivnih osobennostei torsionnih podvesok transportnih sredstv [Analysis of design features of torsion bar suspensions of vehicles]. Voronezh Scientific and Technical Bulletin. - 2019. - V. 2, № 2 (28). - P. 4-18. Access mode : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2019/2-28-2019/-4-18.pdf - Head. from the screen. (In Russ.).
5. Posmetev V. I., Nikonov V. O., Nabokin A. V. Analiz konstruktivnih osobennostei gidropnevmaticheskih podvesok, ispolzuemih v kolesnih transportnih sredstvah [Analysis of design features of hydropneumatic suspensions used in wheeled vehicles]. Voronezh Scientific and Technical Bulletin. - 2020. - V. 2, № 2 (32). - S. 85-108. Access mode : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2020/2-32-2020/85-108.pdf - Head. from the screen. (In Russ.).
6. Tadesse B. A., Fatoba O. Design optimization and numerical analyses of composite leaf spring in a heavy-duty truck vehicle. Materials Today : Proceedings 62 (2022) 2814-2821 : doi :https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.367.
7. Topac M. M., Bohar E., Olguner C., Kuralay N. S. Kinematic optimization of an articulated truck independent front suspension by using response surface methodology. Avtech 15 / III Automotive and Vehicle Technologies Conference Proceedings, 2015. - 13 p.
8. Davis L. Dynamic load sharing on air-sprung heavy vehicles - can suspensions be made friendlier by fitting larger air lines? 29th Australasian Transport Research Forum, 2006-9 - 15 p.
9. Valasek M., Babic M., Sika Z., Magdolen I. Development of semi-active truck suspension. IFAC Proceedings Volumes, Vol. 30, Issue 8, June 1997, Pp. 467-472 : doi :https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)43865-1.
10. Larten C.-P. Modeling and identification of air suspension in heavy-duty vehicles. Master of Science Thesis in Electrical Engineering Department of Electrical Engineering, Linkoping University, 2016. - 72 p.
11. Karlavist R. Hudropneumatic suspension in a truck. Karlstads Universitet, 2020. - 61 p.
12. Landin N. Semi-Active Axle Suspension for Heavy Trucks. Master is Degree Project Stockholm, Sweden, 2013. - 63 p.
13. Sun L. Optimum design of road-friendly vehicle suspension systems subjected to rough pavement surfaces. Applied Mathematical Modelling 26 (2002) 635-652 : doi :https://doi.org/10.1016/S0307-904X(01)00079-8.
14. Zhang P. S. Design of Electromagnetic Shock Absorbers for Energy Harvesting from Vehicle Suspension. Stony Brook University, 2010. - 129 p.
15. Metered H. A. Modelling and control of magnetorheological dampers for vehicle suspension systems. School of mechanical, aerospace and civil engineering, 2010, - 220 p.
16. Mantilla D., Arzola N., Araque O. Optimal design of leaf spring for vehicle suspension under cyclic conditions. Ingeniare. Revista chilena de ingenieria, vol. 30 № 1, 2022 pp. 23-36.
17. Tolea B., Radu I., Dima D., Beles H. The influence of the suspension upon the axle weight distribution for heavy trucks. Scientific Bulletin, Automotive series, year XXIV, № 28, 2017. - 7 p. : doi :https://doi.org/10.26825/bup.ar.2018.007.
18. Topac M. M., Olguner C., Bahar E. Development of an Independent Front Suspension for Truck Tractor. Mechanika, 2022, Vol. 28(2) - pp. 121-129 : doi :https://doi.org/10.5755/j02.mech.290092.
19. Chen Y., Hou Y., Peterson A., Ahmadian M. Failure Mode and Effects Analysis of Dual Leveling Valve Air spring Suspensions on Truck Dynamics. Vehicle System Dynamics 57 / 4, pp. 617-635 : doi :https://doi.org/10.1080/00423114.2018.1480787.
20. Kat C.-J. Validated leaf spring suspension models. Submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree. Philosophic Doctor (Mechanical Engineering). Faculty of Engineering, the built environment and information technology (EBTT), 2012. - 210 p.
21. Xueying Lv, Yanju Ji, Huanyu Zhao, Jiabao Zhang, Guanyu Zhang, Liu Zhang Research Review of a Vehicle Energy-Regenerative Suspension System. Energies 2020, 13, 441 : doi :https://doi.org/10.3390/en13020441.
22. Zhang H. Active and semi-active suspensions for articulated vehicles to minimise tyre wear. KTN Royal Institute of Technology School of Engineering Science, 2021. - 51 p.
23. Misaghi Bonabi S. Impact Of Truck Suspension And Road Roughness On Loads Exerted To Pavements (2011). Open Access Theses Dissertations. 2543. https://digitalcommons.¬utep.edu-/open_etd/2543.
24. Kubo P., Paiva C., Ferreira A., Larocca A. Influence of shock absorber condition on pavement fatigue using relative damage concept. Journal of traffic and transportation engineering (english edition) 2015 ; 2(6) : 406-413 : doi :https://doi.org/10.1016/j.jtte.2015.10.001.
25. Keles T., Güvenç L., Altug E. ECU controlled intelligent lift axle dropping and lifting system for heavy trucks. Engineering Science and Technology, an International Journal 22 (2019) 885-893 : doi :https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.01.010.
26. Labockii P. V. Podveski sovremennih magistralnih gruzovih avtomobilei [Suspensions of modern long-haul trucks]. Access mode: https://core.ac.uk/reader/323159230. - Zagl. from the screen.
27. Platonov A. A. Povishenie effektivnosti raboti lesovoznih avtopoezdov pri vivozke drevesini v malolesnih regionah [Improving the efficiency of logging road trains when hauling wood in sparsely forested regions]. Abstract dis. ... candidate of technical sciences : 05.21.01. - Voronezh, 2000. - 20 p. (In Russ.).
28. Morozov S. A. Uglovie parametri kacheniya upravlyaemih koles kak faktor povisheniya ustoichivosti dvijeniya i snijeniya nagrujennosti perednei osi gruzovogo avtomobilya [Angular rolling parameters of the steered wheels as a factor in increasing the stability of movement and reducing the load on the front axle of a truck]. Abstract dis. ... candidate of technical sciences : 05.05.03 / Mosk. state tech. un-t (MAMI). - Moscow, 2006. - 23 p. (In Russ.).
29. Mazur V. V. Povishenie plavnosti hoda avtotransportnih sredstv vnutrennim podressorivaniem koles [Improving the smoothness of the course of vehicles by internal suspension of wheels]. Abstract dis. ... candidate of technical sciences : 05.05.03 / Mosk. state tech. un-t (MAMI). - Moscow, 2004. - 27 p. (In Russ.).
30. Domnishev D. A. Obespechenie ekspluatacionnih harakteristik gidravlicheskih amortizatorov avtomobilei, ispolzuemih v selskom hozyaistve pri nizkih temperaturah [Ensuring the performance of hydraulic shock absorbers of vehicles used in agriculture at low temperatures]. Abstract dis. ... candidate of technical sciences : 05.20.03 / Siberian Federal Scientific Center for Agrobiotechnologies of the Russian Academy of Sciences. - Novosibirsk region, 2021. - 24 p. (In Russ.).
31. Nadejdin V. S. Metod snijeniya nagrujennosti elementov perednei osi putem vibora racionalnih parametrov uglovoi orientacii upravlyaemih koles gruzovogo avtomobilya [The method of reducing the loading of the elements of the front axle by choosing rational parameters of the angular orientation of the steered wheels of a truck]. Abstract dis. ... candidate of technical sciences : 05.05.03 / Mosk. state tech. un-t (MAMI). - Moscow, 2012. - 23 p. (In Russ.).
32. Erhov A. V. Vliyanie parametrov podveski gusenichnogo lesopromishlennogo traktora na dinamiku i energopoteri pri dvijenii po nerovnomu puti [Influence of the parameters of the suspension of a caterpillar forestry tractor on the dynamics and energy losses when driving on an uneven path]. Dissertation ... candidate of technical sciences : 05.21.01 / Mosk. forest engineering in-t. - Moscow, 1989. - 221 p. (In Russ.).
33. Novikov V. V. Povishenie vibrozaschitnih svoistv podvesok ATS za schet izmeneniya strukturi i harakteristik pnevmogidravlicheskih ressor i amortizatorov [Improving the vibration-proof properties of ATS suspensions by changing the structure and characteristics of pneumohydraulic springs and shock absorbers]. Abstract dis. ... doctors of technical sciences : 05.05.03 / Volgograd. state tech. un-t. - Volgograd, 2005. - 32 p. (In Russ.).
34. Sokolov A. V. Povishenie plavnosti hoda mnogoosnogo avtomobilya s upravlyaemoi podveskoi [Improving the smoothness of the ride of a multi-axle vehicle with controlled suspension]. Abstract dis. ... candidate of technical sciences : 05.05.03 / Mosk. state tech. un-t im. N. E. Bauman. - Moscow, 1992. - 16 p. (In Russ.).
35. Enaev A. A. Kolebaniya avtomobilya pri tormojenii i primenenie ih issledovaniya v proektnih raschetah, tehnologii ispitanii, dovodke konstrukcii [Vehicle vibrations during braking and the use of their research in design calculations, testing technology, design development]. Dissertation ... doctor of technical sciences : 05.05.03. - Bratsk, 2002. - 449 p. (In Russ.).
36. Reizina G. N., Korobko E. V. Ocenka moschnosti, zatrachivaemoi na kolebaniya, pri dvijenii avtomobilya [Estimation of the power spent on vibrations when the car is moving]. Truck, 2013, № 8. - P. 41-43. (In Russ.).
37. Klimov A. V. Povishenie energoeffektivnosti transportnih sredstv selskohozyaistvennogo naznacheniya putem primeneniya amortizatorov s rekuperativnim effektom [Improving the energy efficiency of agricultural vehicles through the use of shock absorbers with a regenerative effect]. Dissertation ... candidate of technical sciences : 05.20.01 / Mosk. s.-x. acad. them. K. A. Timiryazev. - Moscow, 2019. - 206 p. (In Russ.).
38. Derbaremdiker A. D. Gidravlicheskie amortizatori avtomobilei [Hydraulic shock absorbers for cars]. M. , Mashinostroenie, 1969. - 236 p. (In Russ.).
39. Dubrovskii A. F., Abramov M. I., Sakulin Yu. A. Vibor parametrov podveski gruzovih avtomobilei Ural dlya povisheniya skorosti dvijeniya po iznoshennim gruntovim dorogam [The choice of suspension parameters for Ural trucks to increase the speed of movement on worn-out dirt roads]. Bulletin of OSU, № 10(171), 2014. - P. 66-75. (In Russ.).
40. Lyubimov I. I., Builov Yu. A. O vliyanii zagrujennosti avtomobilya na kachestvo podressorivaniya [On the influence of vehicle load on the quality of suspension]. Bulletin of SSTU. 2013, № 2 (70). - S. 195-200. (In Russ.).
41. Dolgushin A. A., Kurnosov A. F., Vakulenko M. V., Domnishev D. A. Issledovanie teplovogo rejima raboti agregatov transmissii i podveski avtomobilya v zimnih usloviyah [Investigation of the thermal mode of operation of transmission and suspension units of a car in winter conditions]. Achievements of science and technology of the agro-industrial complex. 2015. V. 29. № 7 - C. 82-84. (In Russ.).
42. Levin A. I., Vinokurov G. G. Ispolzovanie teorii dinamicheskih sistem dlya modelirovaniya kolebanii podveski avtomobilnoi tehniki Severa [Using the Theory of Dynamic Systems for Modeling Suspension Oscillations of Automotive Equipment of the North]. Vestnik SVFU, № 5 (61) 2017. - S. 57-66. (In Russ.).
43. Chernishov K. V., Ryabov I. M., Pozdeev A. V. Sovershenstvovanie metodiki ocenki vibrozaschitnih svoistv podveski po parametram mikroprofilya dorogi i normam vibronagrujennosti [Improving the methodology for assessing the vibration-protective properties of the suspension according to the parameters of the road microprofile and the norms of vibration loading]. VI All-Russian Scientific and Technical Conference “Prom-Engineering”. 2020. - S. 104-109. (In Russ.).
44. Lagerev I. A. Vliyanie transportnogo polojeniya krana_manipulyatora na nagrujennost podveski bazovogo gruzovogo avtomobilya [Influence of the transport position of the crane-manipulator on the loading of the suspension of the base truck]. Materials of the International scientific and practical conference Energy-resource-saving technologies and equipment in the road and construction industries, 2017. - P. 144-148. (In Russ.).
45. Lagerev A. V., Lagerev I. A. Vliyanie transportnoi konfiguracii krana-manipulyatora na nagrujennost podveski bazovogo shassi [Influence of the transport configuration of a crane-manipulator on the loading of the suspension of the base chassis]. Proceedings of MSTU MAMI № 4 (34), 2017. - C. 29-35. (In Russ.).
46. Chumakov D. A. Povishenie vibrozaschitnih svoistv pnevmaticheskoi podveski avtotransportnih sredstv kombinirovannimi dempfiruyuschimi ustroistvami razlichnih tipov [Improving the anti-vibration properties of the air suspension of vehicles by combined damping devices of various types]. Dissertation ... candidate of technical sciences : 05.05.03 / Volgograd State Technical University. - Volgograd, 2020. - 230 p. (In Russ.).
47. Domnishev D. A., Dolgushin A. A., Kurnosov A. F., Tihonovskii V. V., Domnisheva V. V., Sackevich N. E., Kornienkov V. N. Obespechenie parametrov funkcionirovaniya elementov podveski na osnove primeneniya sovremennih tehnologii i sredstv [Ensuring the functioning parameters of the suspension elements based on the use of modern technologies and means]. Proceedings of the 8th International scientific and practical conference Information technologies, systems and devices in the agro-industrial complex, Agroinfo-2021, ed. V. V. Alta. Novosibirsk - Krasnoobsk, 2021 - P. 252-254 : doihttps://doi.org/10.26898/agroinfo-2021-252-254. (In Russ.).
48. Afraimovich S. A. Raschet na ustalostnuyu prochnost i opredelenie dolgovechnosti elementa podveski gruzovogo avtomobilya [Fatigue strength calculation and determination of the durability of a truck suspension element]. Electronic resource. Access mode : https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/29055/afraymovich.pdf?sequence. - Zagl. from the screen. (Accessed 10.12.2022). Krasnoyarsk, 2016. - 59 p. (In Russ.).
