УДК 629.3.015 Механика и динамика взаимодействия транспортных средств с окружающей средой
С целью выявления причин снижения эффективности автомобилей, оснащенных традиционными конструкциями подвесок и определения перспективных направлений повышения их эффективности, осуществлен анализ результатов обзора исследований, полученных в рассматриваемой научной области зарубежными и российскими учеными. В статье обоснована актуальность повышения эффективности подвесок грузовых специализированных автомобилей и автопоездов, эксплуатируемых в сложных изменяющихся природно-климатических и дорожных условиях. Приведены основные недостатки, проявляющиеся при эксплуатации автомобилей, оснащенных традиционными конструкциями подвесок. Перечислены последствия эксплуатации таких автомобилей, оснащенных традиционными конструкциями подвесок в условиях низкого уровня обустроенности дорог. Рассмотрены преимущества гидропневматических подвесок, листовых рессор, изготовленных из композитных материалов в сравнении с рессорами из стали, независимых конструкций подвесок перед зависимыми, полуактивных пневматических подвесок перед пассивными и активными, а также рекуперативных подвесок. Представлены зависимости изменения наработки на отказ элементов рессорной подвески, расчетной долговечности рессоры от скорости движения, ускорения подрессоренной массы прицепа автопоезда при движении по неровностям, сил сопротивления гидравлического амортизатора от температуры окружающей среды. Приведены зависимости изменения собственных частот и коэффициентов затухания колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс автомобиля при увеличении массы его подрессоренной ча-сти. Приведены выявленные в результате анализа перспективные направления повышения эффективности работы подвесок лесовозных автомобилей и автопоездов.
ЛЕСОВОЗНЫЙ АВТОМОБИЛЬ, ДОРОГА, ПОДВЕСКА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ, ДОРОЖНЫЙ ПРОСВЕТ, РАСХОД ТОПЛИВА, КОМФОРТНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, ИЗНОС ШИН, БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ.
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. Никонов, В. О. Современное состояние, проблемы и пути повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта / В. О. Никонов ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». - Воронеж, 2021. - 202 с. - Библиогр. : C. 181-202 (196 назв.). Режим доступа : https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45694525.
2. Посметьев, В. И. Анализ эффективности и классификация упругих устройств, используемых в традиционных и новых подвесках колесных машин [Электронный ресурс] / В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев // Воронежский научно-технический вестник. - 2017. - Т. 1, № 1 (19). - С. 78-89. Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/1/78-89.pdf - Загл. с экрана. - Библиогр. : C. 88-89 (18 назв.).
3. Никонов, В. О. Состояние и перспективы совершенствования конструкций гидропневматических подвесок колесных машин [Электронный ресурс] / В. О. Никонов, В. И. Посметьев, Д. Л. Свиридов, В. О. Бородкин // Воронежский научно-технический вестник. - 2019. - Т. 2, № 2 (28). - С. 19-37. Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2019/2-28-2019/19-37.pdf - Загл. с экрана. - Библиогр. : C. 35-37 (29 назв.).
4. Никонов, В. О. Анализ конструктивных особенностей торсионных подвесок транспортных средств [Электронный ресурс] / В. О. Никонов, В. И. Посметьев, И. В. Сизьмин, В. О. Бородкин // Воронежский научно-технический вестник. - 2019. - Т. 2, № 2 (28). - С. 4-18. Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2019/2-28-2019/-4-18.pdf - Загл. с экрана. - Библиогр. : C. 17-18 (21 назв.).
5. Посметьев, В. И. Анализ конструктивных особенностей гидропневматических подвесок, используемых в колесных транспортных средствах / В. И. Посметьев, В. О. Никонов, А. В. Набокин // Воронежский научно-технический вестник. - 2020. - Т. 2, № 2 (32). - С. 85-108. Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2020/2-32-2020/85-108.pdf - Загл. с экрана. - Библиогр. : C. 105-108 (36 назв.).
6. Tadesse B. A. Design optimization and numerical analyses of composite leaf spring in a heavy-duty truck vehicle / B. A. Tadesse, O. Fatoba // Materials Today : Proceedings 62 (2022) 2814-2821. - Bibliogr. : p. 2821 (25 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.367.
7. Topac M. M. Kinematic optimization of an articulated truck independent front suspension by using response surface methodology / M. M. Topac, E. Bohar, C. Olguner, N. S. Kuralay // Avtech 15 / III Automotive and Vehicle Technologies Conference Proceedings, 2015. - 13 p. - Bibliogr. : pp. 12-13 (21 titles).
8. Davis L. Dynamic load sharing on air-sprung heavy vehicles - can suspensions be made friendlier by fitting larger air lines? / L. Davis // 29th Australasian Transport Research Forum, 2006-9 - 15 p. - Bibliogr. : pp. 13-14 (16 titles).
9. Valasek, M. Development of semi-active truck suspension / M. Valasek, M. Babic, Z. Sika, I. Magdolen // IFAC Proceedings Volumes, Vol. 30, Issue 8, June 1997, Pages 467-472. - Bibliogr. : p. 472 (14 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)43865-1.
10. Larten C.-P. Modeling and identification of air suspension in heavy-duty vehicles / C.-P. Larten // Master of Science Thesis in Electrical Engineering Department of Electrical Engineering, Linkoping University, 2016. - 72 p. - Bibliogr. : pp. 61-62 (15 titles).
11. Karlavist R. Hudropneumatic suspension in a truck / R. Karlavist / Karlstads Universitet, 2020. - 61 p. - Bibliogr. : pp. 54-55 (13 titles).
12. Landin N. Semi-Active Axle Suspension for Heavy Trucks / N. Landin // Master is Degree Project Stockholm, Sweden, 2013. - 63 p. - Bibliogr. : pp. 60-61 (19 titles).
13. Sun L. Optimum design of road-friendly vehicle suspension systems subjected to rough pavement surfaces / L. Sun // Applied Mathematical Modelling 26 (2002) 635-652. - Bibliogr. : pp. 650-652 (56 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/S0307-904X(01)00079-8.
14. Zhang P. S. Design of Electromagnetic Shock Absorbers for Energy Harvesting from Vehicle Suspension / P. S. Zhang // Stony Brook University, 2010. - 129 p. - Bibliogr. : pp. 112-114 (39 titles).
15. Metered H. A. Modelling and control of magnetorheological dampers for vehicle suspension systems / H. A. Metered // School of mechanical, aerospace and civil engineering, 2010, - 220 p. - Bibliogr. : pp. 209-218 (89 titles).
16. Mantilla D. Optimal design of leaf spring for vehicle suspension under cyclic conditions / D. Mantilla, N. Arzola, O. Araque // Ingeniare. Revista chilena de ingenieria, vol. 30 № 1, 2022 pp. 23-36. - Bibliogr. : pp. 35-36 (28 titles).
17. Tolea B. The influence of the suspension upon the axle weight distribution for heavy trucks / B. Tolea, I. Radu, D. Dima, H. Beles // Scientific Bulletin, Automotive series, year XXIV, № 28, 2017. - 7 p. - Bibliogr. : p. 56 (10 titles). - DOIhttps://doi.org/10.26825/bup.ar.2018.007.
18. Topac M. M. Development of an Independent Front Suspension for Truck Tractor / M. M. Topac, C. Olguner, E. Bahar // Mechanika, 2022, Vol. 28(2) - pp. 121-129. - Bibliogr. : pp. 128-129 (25 titles). - DOIhttps://doi.org/10.5755/j02.mech.290092.
19. Chen Y. Failure Mode and Effects Analysis of Dual Leveling Valve Air spring Suspensions on Truck Dynamics / Y. Chen, Y. Hou, A. Peterson, M. Ahmadian // Vehicle System Dynamics 57 / 4, pp. 617-635. - Bibliogr. : pp. 22-23 (17 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1080/00423¬114.2018.-1480787.
20. Kat C.-J. Validated leaf spring suspension models / C.-J. Kat / 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 Research Review of a Vehicle Energy-Regenerative Suspension System / Xueying Lv, Yanju Ji, Huanyu Zhao, Jiabao Zhang, Guanyu Zhang, Liu Zhang // Energies 2020, 13, 441. - Bibliogr. : pp. 11-14 (68 titles). - DOIhttps://doi.org/10.3390/en13020441.
22. Zhang H. Active and semi-active suspensions for articulated vehicles to minimise tyre wear / H. Zhang // KTN Royal Institute of Technology School of Engineering Science, 2021. - 51 p. - Bibliogr. : pp. 40-43 (36 titles).
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. - Bibliogr. : pp. 64-65 (22 titles).
24. Kubo P. Influence of shock absorber condition on pavement fatigue using relative damage concept / P. Kubo, C. Paiva, A. Ferreira, A. Larocca // Journal of traffic and transportation engineering (english edition) 2015 ; 2(6) : 406-413. - Bibliogr. : p. 413 (23 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jtte.2015.10.001.
25. Keles T. ECU controlled intelligent lift axle dropping and lifting system for heavy trucks / T. Keles, L. Güvenç, E. Altug // Engineering Science and Technology, an International Journal 22 (2019) 885-893. - Bibliogr. : p. 893 (9 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.01.010.
26. Лабоцкий, П. В. Подвески современных магистральных грузовых автомобилей [Электронный ресурс]. Режим доступа : https://core.ac.uk/reader/323159230. - Загл. с экрана.
27. Платонов, А. А. Повышение эффективности работы лесовозных автопоездов при вывозке древесины в малолесных регионах : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.21.01. - Воронеж, 2000. - 20 с.
28. Морозов, С. А. Угловые параметры качения управляемых колес как фактор повышения устойчивости движения и снижения нагруженности передней оси грузового автомобиля : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.05.03 / Моск. гос. техн. ун-т (МАМИ). - Москва, 2006. - 23 с.
29. Мазур, В. В. Повышение плавности хода автотранспортных средств внутренним подрессориванием колес : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.05.03 / Моск. гос. техн. ун-т (МАМИ). - Москва, 2004. - 27 с.
30. Домнышев, Д. А. Обеспечение эксплуатационных характеристик гидравлических амортизаторов автомобилей, используемых в сельском хозяйстве при низких температурах : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.20.03 / ФГБУН Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий Российской академии наук. - Новосибирский район, 2021. - 24 с.
31. Надеждин, В. С. Метод снижения нагруженности элементов передней оси путем выбора рациональных параметров угловой ориентации управляемых колес грузового автомобиля : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.05.03 / Моск. гос. техн. ун-т (МАМИ). - Москва, 2012. - 23 с.
32. Ерхов, А. В. Влияние параметров подвески гусеничного лесопромышленного трактора на динамику и энергопотери при движении по неровному пути : диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.01 / Моск. лесотехн. ин-т. - Москва, 1989. - 221 с. - Библиогр. : C. 191-204 (150 назв.).
33. Новиков, В. В. Повышение виброзащитных свойств подвесок АТС за счет изменения структуры и характеристик пневмогидравлических рессор и амортизаторов : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.05.03 / Волгогр. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2005. - 32 с.
34. Соколов, А. В. Повышение плавности хода многоосного автомобиля с управляемой подвеской : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.05.03 / Моск. гос. техн. ун-т им. Н. Э. Баумана. - Москва, 1992. - 16 с.
35. Енаев, А. А. Колебания автомобиля при торможении и применение их исследования в проектных расчетах, технологии испытаний, доводке конструкции : диссертация ... доктора технических наук : 05.05.03. - Братск, 2002. - 449 с. - Библиогр. : C. 420-440 (230 назв.).
36. Рейзина, Г. Н. Оценка мощности, затрачиваемой на колебания, при движении автомобиля / Г. Н. Рейзина, Е. В. Коробко // Грузовик, 2013, № 8. - С. 41-43. - Библиогр. : C. 43 (6 назв.).
37. Климов, А. В. Повышение энергоэффективности транспортных средств сельскохозяйственного назначения путём применения амортизаторов с рекуперативным эффектом : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01 / Моск. с.-х. акад. им. К. А. Тимирязева. - Москва, 2019. - 206 с. - Библиогр. : C. 162-175 (128 назв.).
38. Дербаремдикер, А. Д. Гидравлические амортизаторы автомобилей / Дербаремдикер А. Д. // М., Машиностроение, 1969. - 236 с. - Библиогр. : C. 233-235 (61 назв.).
39. Дубровский, А. Ф. Выбор параметров подвески грузовых автомобилей Урал для повышения скорости движения по изношенным грунтовым дорогам / А. Ф. Дубровский, М. И. Абрамов, Ю. А. Сакулин // Вестник ОГУ, № 10 (171), 2014. - С. 66-75. - Библиогр. : C. 75 (7 назв.).
40. Любимов, И. И. О влиянии загруженности автомобиля на качество подрессоривания / И. И. Любимов, Ю. А. Буйлов // Вестник СГТУ. 2013, № 2 (70). - С. 195-200. - Библиогр. : C. 200 (6 назв.).
41. Долгушин, А. А. Исследование теплового режима работы агрегатов трансмиссии и подвески автомобиля в зимних условиях / А. А. Долгушин, А. Ф. Курносов, М. В. Вакуленко, Д. А. Домнышев // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 7 - C. 82-84. - Библиогр. : C. 84 (4 назв.).
42. Левин, А. И. Использование теории динамических систем для моделирования колебаний подвески автомобильной техники Севера / А. И. Левин, Г. Г. Винокуров // Вестник СВФУ, № 5 (61) 2017. - С. 57-66. - Библиогр. : C. 65-66 (13 назв.).
43. Чернышов, К. В. Совершенствование методики оценки виброзащитных свойств подвески по параметрам микропрофиля дороги и нормам вибронагруженности / К. В. Чернышов, И. М. Рябов, А. В. Поздеев // VI Всероссийская научно-техническая конференция “Пром-Инжиниринг”. 2020. - С. 104-109. - Библиогр. : C. 109 (14 назв.).
44. Лагерев И. А. Влияние транспортного положения крана-манипулятора на нагруженность подвески базового грузового автомобиля / И. А. Лагерев // Материалы Международной научно-практической конференции Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительных отраслях, 2017. - С. 144-148. - Библиогр. : C. 148 (3 назв.).
45. Лагерев, А. В. Влияние транспортной конфигурации крана-манипулятора на нагруженность подвески базового шасси / А. В. Лагерев, И. А. Лагерев // Известия МГТУ МАМИ № 4 (34), 2017. - C. 29-35. - Библиогр. : C. 34 (7 назв.).
46. Чумаков, Д. А. Повышение виброзащитных свойств пневматической подвески автотранспортных средств комбинированными демпфирующими устройствами различных типов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.05.03 / ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет». - Волгоград, 2020. - 230 с. - Библиогр. : C. 157-182 (219 назв.).
47. Домнышев, Д. А. Обеспечение параметров функционирования элементов подвески на основе применения современных технологий и средств / Д. А. Домнышев, А. А. Долгушин, А. Ф. Курносов, В. В. Тихоновский, В. В. Домнышева, Н. Е. Сацкевич, В. Н. Корниенков // Материалы 8-й Международной научно-практической конференции Информационные технологии, системы и приборы в АПК, Агроинфо-2021, под ред. В. В. Альта. Новосибирск - Краснообск, 2021 - С. 252-254. - Библиогр. : C. 254 (7 назв.). - DOIhttps://doi.org/10.26898/agroinfo-2021-252-254.
48. Афраймович, С. А. Расчет на усталостную прочность и определение долговечности элемента подвески грузового автомобиля [Электронный ресурс]. Режим доступа : https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/29055/afraymovich.pdf?sequence. - Загл. с экрана. (Дата обращения 10.12.2022 г.). Красноярск, 2016. - 59 с. - Библиогр. : C. 58-59 (10 назв.).
