математическая модель создания некомфортных условий ПРИ ДВИЖЕНИИ АВТОМОБИЛЯ по виброполосе

Кычкин Владимир Иванович

канд. техн. наук, доцент ПНИПУ г. Пермь

Юшков Владимир Сергеевич

аспирант, ПНИПУ г. Пермь

E-mail: vova_84_07@mail.ru

MATHEMATICAL MODEL CREATION COMFORTABLE CONDITIONS AT MOVEMENT of the AUTOMOBILE ON VIBRATIONSTRIP

Vladimir Kychkin

Candidate of Technical Sciences , The senior lecturer, Perm national research polytechnical university, Perm

Vladimir Jushkov

The post-graduate student, Perm national research polytechnical university, Perm

Аннотация

В данной статье рассматриваются конструктивные особенности проектирования виброполосы, предназначенной для генерирования колебаний места водителя автомобиля. Методика представлена расчетами вибрационного нагружения человека-оператора для конкретного транспортного средства.

ABSTRACT

In given clause design features of designing vibrationstrip, intended for generation fluctuations place driver of the automobile are considered. The technique is submitted by calculations vibrating force the person - operator for concrete vehicle.

Ключевые слова: автомобильная дорога; виброполоса; шаг и глубина неровностей; скорость движения автомобиля.

Key words: highway; vibrationstrip; step and depth of roughnesses; speed movement of the automobile.

Создание виброполос позволяет значительно снизить количество дорожно-транспортных происшествий (ДТП) путем устранения монотонности движения и повышения внимания водителя. Согласно зарубежной статистике это снижение составляет в среднем 50 %. Основное назначение виброполосы - активизировать внимание водителя [3].

В работе ставится задача построения математической модели состояния автотранспортного средства (АТС) и возможности тактильного восприятия водителями некомфортных режимов движения, целью которой является установление параметров виброполосы, способствующей генерировать и передавать признаки параметров движения.

В процессе контакта колеса АТС с неровной дорогой необходимо учитывать пятно контакта, величины деформации упругой шины, деформации самой поверхности, включая неровности различного типа. Систему дифференциальных уравнений представляющую собой математическую модель движения подрессоренных и неподрессоренных масс АТС запишем [1, 2]:

 ,                           (1)

где  — подрессоренная масса машины;  — момент инерции подрессоренной части машины;  — расстояние от элементов подвески до центра массы машины;  — коэффициент сопротивления амортизатора;  и  — коэффициент жесткости рессоры и шины;  — масса неподрессоренной части машины;  — высота неровностей поверхности движения;  и  — абсолютные линейные и угловые перемещения, скорости, ускорения подрессоренной массы;  — абсолютные угловые перемещения, скорости и ускорения неподрессоренной части машины массой .

Модель неровностей имеет вид:

где  — высота неровностей;  — скорость АТС;  — статический радиус шины при номинальной нагрузке;  — время, отсчитываемое от момента соприкосновения шин переднего моста с неровностью при наезде; расчетная высота обособленной неровности может быть принята в первом приближении по условию , Н — длина волны неровностей.

Предлагаемая модель значительно упрощает анализ процессов генерирования колебаний в соответствии с системой уравнений (1) при движении АТС по виброполосе. Однако в этом случае возможны потери в оценке влияния параметров традиционной колебательной системы и эквивалентной подвески автомобиля на плавность хода и нагруженность элементов ходовой части при движении по виброполосе. Расчет квазистатического нагружения при условии равенства нулю ускорения и скорости перемещения масс позволяет, сохраняя основные составляющие процесса для плоской задачи, достаточно наглядно оценить вклад характеристик упругих элементов в формирование амплитудных перемещений конструкций транспортного средства. При сравнительной простоте предлагаемой методики исследования связей квазистатических перемещений системы с характеристиками поверхности дороги открывается возможность выбора геометрических параметров неровностей для создания условий некомфортного состояния водителя.

На основании этого расчетная схема имеет, представленный на рис. 1, вид.

Рисунок 1. Расчетная схема АТС при движении по виброполосе,

где К — рама АТС; В — водитель; С₁, С₂, С₃ — жесткость амортизаторов АТС; С- жесткость системы «кресло-водитель»; b — элемент демпфирования; L —длина рамы АТС; G_АТС — вес автомобиля.

Установочный уклон рамы запишем в виде: где  и  — осадка первой и третьей опоры.

Сумма сил в проекции на ось Y и сумма моментов относительно оси Z может быть представлена системой уравнений:

                                  (2)

где m_АТС — масса АТС, g=9,81 м/с².

Вертикальное отклонение в точке с координатой x_i равна:

Из системы уравнений (2) после преобразований определяем y₁ и y₃ с учетом угла :

              .

где  — параметры математической модели,  — перемещение рамы АТС в зоне водителя.

С учетом виброизоляции кресла водителя и параметров m, C, b представим амплитуду колебаний в форме:

где    — частота колебаний рамы АТС;  — собственная частота места колебания водителя;  — максимальная величина отклонения рамы АТС при кинематическом воздействии с учетом глубины неровности .

Частота процесса воздействия определяется параметрами полосы.

Воздействие ускорений на пассажиров и водителя в значительной степени определяется частотой колебаний [6, 7]. Так, при ее увеличении даже небольшие ускорения колебаний могут вызвать неприятные или болезненные ощущения (табл. 1).

Таблица 1.

Ускорения, м/с², колебаний, оказывающие отрицательное воздействие на пассажиров и водителя [2]

В качестве примера выполнены расчеты при силовых и геометрических параметрах АТС, соответствующих модели КамаЗ-53212 6х4.2. Результаты математического моделирования приведены на рис. 2.

Рисунок 2. График зависимости вертикального ускорения кресла водителя от скорости движения АТС при различной глубине неровностей виброполосы

При изменении скорости движения АТС с 30 до 100 км/час ускорение в точке рабочего места водителя уменьшается в три раза. При этом глубина неровностей оказывает большее влияние при низких скоростях движения (рис. 2).

Назначение конструктивных параметров виброполосы на основании проведенных вычислений представляет сложную проблему, прежде всего, связанную с пониманием функционирования тактильной системы «человек-оператор» [7]. Получение подробного механического аналога такой системы на данном этапе исследований не представляется возможным. Рекомендации по применению виброполосы и ее эффективное функционирование с количественной оценкой качества выполняемых процедур может быть дана как некоторое приближение имитирующей модели, рассматриваемой в работе, как всесторонней динамической системы «дорога — виброполоса — автомобиль — человек — оператор». По-видимому, лучшей возможностью при назначении параметров виброполосы с учетом обеспечения ее работоспособности и оказания влияния на водителя при обязательном выполнении санитарных норм, а также принимая во внимание техническое состояние систем автомобиля (конструктивные элементы кузова, шасси, амортизаторов и т. д.) будет являться испытания.

В возникновении реакции организма на воздействие вибраций основную роль играет центральная нервная система [5, 4]. Характер распространения вибрационных возмущений по телу зависит от частоты и амплитуды, длительности цикла воздействия, площади участков тела, соприкасающихся с источником колебаний, места приложения и направления оси колебаний, демпфирующих свойств канала распространения вибраций и т. д. Можно отметить, что появление резонанса человеческого организма, его органов и систем наблюдается в диапазоне частот 0,7…100 Гц [5].

На основании проведенных расчетов можно рекомендовать при движении АТС со скоростью 60 км/ч и шагом неровностей виброполосы 200 мм глубину конструктивного элемента виброполосы 20…30 мм. С ростом скорости движения автомобиля и уменьшением длины волны неровностей существенного влияния глубины конструктивного элемента не наблюдается, что позволяет принять этот параметр на уровне 40 мм. Ширина полосы может быть принята 150…200 мм. Длина виброполосы выбирается в зависимости от продольного и поперечного профилей автомобильной дороги.

Безопасность дорожного движения нацелена, на защиту жизни и здоровья участников дорожного движения. Вся дорожно-транспортная инфраструктура — дороги, элементы их обустройства, транспортные средства — должна быть сконструирована таким образом, чтобы, с одной стороны, участник движения не попадал в конфликтные ситуации, а с другой стороны, в случае ДТП получал как можно меньший вред своему здоровью.

Список литературы:

1.Аксенов П.В. Многоосные автомобили. М.: машиностроение, 1989. 278 с.

2.Вахламов В.К. Конструкция, расчет и эксплуатационные свойства автомобилей // учебное пособие. Изд-во «Академия» 2007, 560 с.

3.Владимирова Н. ДТП предотвратит шумовая полоса // Журнал «Автомобильные дороги» № 3 (964), 2012. С. 58—61.

4.ГОСТ 26563-85 Вибрация. Методы и средства защиты. Классификация.

5.Креймер Л.Я. Вибрация как лечебный фактор. — Томск: Изд-во Томского университета, 1972. — 259 с.

6.Трофимов Н.А. Защита от вибрации и шума в промышленности: Учеб.пособие / Перм. гос. тех. ун-т Пермь, 1994. 144 с.

7.Фролов К.В. Виброизоляция машины и виброзащита человека — оператора. Государственный научно-исследовательский институт машиноведения, АНСССР, 1973. 195 с.