Pneumohydraulic spring with adaptive self-adjusting damper for suspension of a high-speed tracked vehicle and its calculation procedure

Abstract

Currently, a further increase in the mobility of high-speed vehicles is largely limited by the existing suspension systems, which mainly have unregulated characteristics, and the developed adjustable suspension systems with external control are very complex, expensive and less reliable. Therefore, the development of relatively simple and reliable self-adjusting suspensions for high-speed machinery is an urgent task. At the Department of Automatic Installations of Volgograd State Technical University an original design of an air-hydraulic spring (AHS) with an adaptive self-regulating damper for suspension of a high-speed tracked vehicle (HSTV) was developed. A feature of its adaptive damper is the provision of a two-stage inelastic resistance depending on the amplitude, frequency and direction of oscillation, which can significantly reduce the acceleration of the «shaking» and heating of AHS when the HSTV moves along small irregularities, as well as practically eliminate suspension breakdowns when large vertical and angular vibrations occur at the vehicles body when driving on large bumps or springboards with a takeoff of the rollers from the supporting surface. These modes of operation are ensured by installing two spring-loaded step plungers in the serial AHS body, which in a static position and with small spring lift open an additional throttle channel, which significantly reduces the inelastic resistance of the suspension, and at large strokes they block this channel, thereby significantly increasing damping fluctuations. Due to the fact that these plungers are equipped with a system for delaying their movement in the opposite direction, the increased resistance is maintained for several periods of oscillation. The article also presents an engineering methodology and a numerical example of determining the parameters of the main elements of an adaptive self-regulating damper, the elastic and damping characteristics of the AHS taking into account the operation of the pressure relief valve and the rebound check valve.

Full Text

Введение В настоящее время благодаря развитию технологий двигателестроения у быстроходных гусеничных машин (БГМ) появляется возможность значительного увеличения их подвижности. Но для увеличения скорости и сохранения комфорта передвижения также необходимо развивать и качество системы подрессоривания. При неудовлетворительном качестве подвески водитель испытывает дискомфорт и чрезмерные перегрузки, что приводит к быстрой утомляемости и может нанести вред организму человека. Поэтому при движении по разбитым дорогам и пересеченной местности водитель вынужден ограничивать скорость движения машины. Это предъявляет дополнительные требования к системам подрессоривания. Для решения данных задач наиболее подходящими являются пневмогидравлические подвески с регулируемым демпфированием. Однако в практике машиностроения отсутствуют простые технические решения данной сложной задачи [1…4]. Цель исследований Разработка конструкции пневмогидравлические подвески для БМГ с регулируемым демпфированием и методики ее проектирования. Материалы и методы В ВолгГТУ на кафедре «Автоматические установки» и при содействии АО «ФНПЦ «Титан-Баррикады» разработана конструкция пневмогидравлической рессоры (ПГР) для подвески БГМ, которая обеспечивает адаптивное саморегулирование демпфирования в зависимости от амплитуды, частоты и направления колебаний, а также имеет предохранительный клапан хода сжатия и обратный клапан хода отбоя, выполненные в виде единого узла, в котором размещен основной дроссель (рис. 1). Прототипом данной конструкции является ПГР по патенту РФ 2694706, недостатком которой является сравнительно высокая сложность адаптивного саморегулируемого демпфирующего узла, что увеличивает габариты корпуса рессоры, а также отсутствие ограничения максимального перепада давлений между поршневой полостью и полостью гидроаккумулятора на ходе сжатия, что негативно влияет на плавность хода и надежность работы подвижных уплотнений [5, 6, 7]. ПГР состоит из гидравлического 1 и пневмогидравлического 2 цилиндров, установленных в корпусе 3. В цилиндре 1 установлен поршень 4 со штоком 5, образующие в цилиндре 1 поршневую 6 и штоковую 7 полости. Плавающий поршень 8 находится в пневмогидравлическом цилиндре 2 и разделяет его на гидравлическую 9 и пневматическую 10 полости. Поршневая полость 6 и гидравлическая полость 9 постоянно сообщены между собой через выполненное в корпусе отверстие 13, первое ступенчатое отверстие 11, нижнее отверстие 14, предохранительный клапан 15 и основное дроссельное отверстие 39 с большим сопротивлением. Кроме того, полости 6 и 9 могут периодически сообщаться через поперечный канал 16, второе ступенчатое отверстие 12 и дополнительное дроссельное отверстие 17 с малым сопротивлением. Клапан максимального хода сжатия 18 и клапан максимального хода отбоя 26 выполнены в виде подпружиненных ступенчатых плунжеров. Клапаны 18 и 26 расположены в ступенчатых отверстиях 11 и 12 соответственно и разделяют их на надплунжерные 19 и 27, подплунжерные 20 и 28, кольцевые плунжерные 21 и 29 полости. Надплунжерные полости 19 и 27 отделены от кольцевых плунжерных полостей 21 и 29 с помощью уплотнений 22 и 30, установленных в проточках в корпусе 3. Клапаны 18 и 26 снабжены системами временной задержки возврата их в исходное положение, рассчитанными на 1,5-2 периода собственных колебаний корпуса машины, которые представлены в виде подпружиненных клапанных тарелок 24 и 32 с осевыми дроссельными отверстиями 25 и 33. При работе ПГР с малыми амплитудами клапаны 18 и 26 постоянно открыты, поэтому жидкость между полостями 6 и 9 перетекает с малым сопротивлением через основное дроссельное отверстие 39 в предохранительном клапане 15 и дополнительное дроссельное отверстие 17. При возникновении больших амплитуд колебаний клапаны 18 и 26 перекрывают поперечный канал 16, и жидкость между полостями 6 и 9 перетекает с большим сопротивлением только через основное дроссельное отверстие 39 в предохранительном клапане 15. При этом на ходе сжатия ПГР плунжер 18 под действием высокого давления перемещается до упора вверх, дополнительно сжимая пружину 23, а на ходе отбоя ПГР при низком давлении плунжер 26 под действием пружины 31 перемещается до упора вниз. После уменьшения колебаний ПГР клапаны 18 и 26 открываются. На ходе сжатия при перекрытом поперечном канале 16 и возникновении резкого перепада давления между полостями 6 и 9 происходит срабатывание предохранительного клапана 15, и плунжер 34 перемещается вправо, сжимая пружину 40 и открывая косые отверстия 37, благодаря чему обеспечивается ограничение силы сопротивления при больших скоростях хода сжатия. На ходе отбоя, при перекрытом поперечном канале 16 и возникновении резкого перепада давления между полостями 6 и 9, обратный клапан 41 открывается, и жидкость течет не только через основное дроссельное отверстие 39, но и через отверстия 42, кольцевую плунжерную полость 36, косые отверстия 38 и плунжерную полость 35, вызывая резкое уменьшение сопротивления. Методика расчета адаптивного саморегулируемого демпфирующего узла ПГР Методика расчета саморегулируемого адаптивного демпфирующего узла ПГР заключается в определении условий срабатывания клапанов 18 и 26 в зависимости от амплитуды, частоты и направления колебаний подвески. Для этого необходимо знать упругую характеристику подвески, уравнения которой при деформациях по координатам λ и h имеют следующий вид: или , (1) где рн и Vн - начальное давление и начальный объем газа; рст и Vст - давление и объем газа в рессоре под статической нагрузкой; n - показатель политропы (для ПГР с плавающим поршнем n = 1,3…1,4); F - площадь вытеснителя (поршня или штока) рессоры; i - передаточное отношение в подвеске; λ - ход катка на ходе сжатия от полностью растянутой ПГР; h - ход катка от статического положения (на ходе сжатия берется со знаком «+», на ходе отбоя - со знаком «-»). Для расчета параметров клапана 18 (клапан защиты от колебаний подвески с большой амплитудой) зададимся условием его срабатывания (закрытия) путем перемещения вверх, зависящим от величины хода сжатия: , (2) где Δ - наиболее вероятная амплитуда деформаций подвески при движении БГМ по относительно ровной поверхности дороги, вызывающей ускорения «тряски» (например, равна 5 см). Тогда давление начала закрытия клапана 18 определится по зависимости: . (3) Этому давлению соответствует сила предварительного поджатия пружины 23: , (4) где Fпл1 - площадь меньшей ступени плунжера 18. , (5) с1 - жесткость пружины 23; х01 - величина предварительного сжатия пружины 23. Величины Fпл1, с1 и х01 выбираются исходя из компоновки клапана 18 в корпусе 3 и минимального диаметра меньшей ступени плунжера 18. В большей ступени плунжера 18 установлен обратный клапан 24, выполненный в виде подпружиненной тарелки с дросселем 25, диаметр которого определяется из следующего уравнения: , (6) где Fпл.к1 - площадь поперечного сечения кольцевой полости плунжера 18; Δpпл1 - перепад давлений на большей ступени плунжера 18 между полостями 20 и 21; ρ - плотность жидкости (ρ = 0,85 г/см3); μ - коэффициент расхода (для ПГР μ = 0,8…0,9); υпл1 - скорость перемещения плунжера 18 под действием пружины 23 вниз при условии уменьшения давлений в полостях 9 и 10 меньше р1. Скорость перемещения плунжера можно найти из уравнения: , (7) где δ1 - полный ход плунжера 18; tоткр1 - время открытия плунжера 18 (равно 1…3 периодам колебаний подвески); T - период собственных колебаний рессоры; g - ускорение свободного падения. Задаваясь скоростью υпл1 и зная силу поджатия пружины 23 при закрытом клапане 18, можно определить площадь дроссельного отверстия в обратном клапане 24: , (8) где - сила поджатия пружины 23 при закрытом клапане 18, . (9) Тогда диаметр дроссельного отверстия в обратном клапане 24 рассчитывается по формуле: . (10) Для расчета параметров клапана 26 (клапан защиты от пробоя подвески после полного растяжения ПГР при отрыве катков после преодоления трамплина и последующего приземления) зададимся условием его срабатывания (закрытия) путем перемещения вниз, зависящим от величины хода отбоя: , (11) где Δотб - величина растяжения ПГР, при которой необходимо закрыть клапан 26 (например, равна 80 % от статического хода подвески). Тогда давление начала закрытия клапана 26 определится по зависимости: , (12) Этому давлению соответствует сила предварительного поджатия пружины 31: , (13) где Fпл2 - площадь меньшей ступени плунжера 26; , (14) с2 - жесткость пружины 31; х02 - величина предварительного сжатия пружины 31. Величины Fпл2, с2 и х02 выбираются исходя из компоновки клапана 31 в корпусе 3 и минимального диаметра меньшей ступени плунжера 26. В большей ступени плунжера 26 установлен обратный клапан 32, выполненный в виде подпружиненной тарелки с дросселем 33, диаметр которого определяется по следующего уравнения: , (15) где Fпл.к2 - площадь поперечного сечения кольцевой полости плунжера 26; Δpпл2 - перепад давлений на большей ступени плунжера 26 между полостями 28 и 29; υпл2 - скорость перемещения плунжера 26 под действием пружины 31 вверх при условии увеличения давления в полостях 9 и 10 больше меньше р2. Скорость перемещения плунжера можно найти из уравнения: (16) где δ2 - полный ход плунжера 26; tоткр2 - время открытия плунжера 26 (равно 1…3 периодам колебаний подвески). Задаваясь скоростью υпл2 и зная силу поджатия пружины 31 при закрытом клапане 26, можно определить площадь дроссельного отверстия в обратном клапане 32: , (17) где - сила поджатия пружины 23 при закрытом клапане 18, . (18) Тогда диаметр дроссельного отверстия в обратном клапане 24 рассчитывается по формуле: . (19) Демпфирующая характеристика ПГР рассчитывается по формуле: , (20) где f₀ - площадь дроссельного отверстия в головке ПГР; υк - скорость вертикальных перемещений катка. Результаты и обсуждение Пример расчета адаптивного саморегулируемого демпфирующего узла ПГР Ниже приведен пример расчета основных параметров ПГР с саморегулируемым адаптивным демпфирующим узлом для пневмогидравлической подвески БГМ при следующих исходных данных: статический объем газа Vст = 270 см³; площадь поршня F = 19,63 см²; полный ход подвески hполн = 32 см; передаточное число подвески i = 2,5; статическое давление рст = 10 МПа; ступенчатые плунжеры 18 и 26 имеют одинаковые размеры: dпл1 = 6 мм и dпл2 = 22 мм. Графики статической и динамической упругих характеристик пневмогидравлической подвески, построенные с помощью расчета по формуле (1), показаны на рис. 2. Из условия (2) зададимся параметром срабатывания клапана 18 на ходе сжатия подвески от статического положения Δ = 5 см. Тогда из формулы (3) давление, при котором начнет закрываться клапан 18, р1 = 12,45 МПа. Этому давлению при площади меньшей ступени плунжера 18 Fпл1 = 0,283 см² соответствует сила предварительного поджатия пружины 23 Рпр1 = 352 Н. Зная силу предварительного поджатия пружины 23, можно подобрать саму пружину по ГОСТ 18793, либо, зная наружный диаметр, длину и ход пружины, спроектировать собственную пружину. В нашем случае пружина 23 имеет следующие параметры (рис. 3): наружный диаметр Dнар = 18 мм; диаметр прутка d = 2 мм; внутренний диаметр Dвн = 14 мм; длина без нагрузки l0 = 322 мм, контрольная длина l1 = 92 мм; сила пружины (при l1) Р1 = 352,55 Н; контрольная длина l2 = 80 мм, сила пружины (при l2) Р2 = 370,94 Н; длина в сжатом состоянии l3 = 53 мм; сила пружины (при l3) Р3 = 412,33 Н; расстояние между витками t = 12,76 мм; рабочее число витков n = 25 шт.; жесткость пружины с1 = 1,53 Н/мм; материал - сталь 60С2А, ГОСТ 14959-79. При времени открытия клапана 18 tоткр1 = 2T, согласно формуле (7), скорость перемещения плунжера υпл1 = 0,6 см/с. Зная скоростью υпл1 и силу поджатия пружины 23 при закрытом клапане 18, можно определить площадь дроссельного отверстия в обратном клапане 24 по формуле (8). При кольцевой площади плунжера 18 Fпл.к1 = 1,72 см² площадь дроссельного отверстия fдр1 = 5,4∙10-4 см². Этой площади, согласно формуле (10), соответствует диаметр дроссельного отверстия в обратном клапане 24 dдр1 = 0,26 мм. Для расчета параметров клапана 26 (клапан защиты от пробоя подвески после полного растяжения ПГР при отрыве катков после преодоления трамплина и последующего приземления) зададимся условием его срабатывания на ходе отбоя подвески при Δотб ≥ 10 см. Тогда, согласно формуле (12), давление начала закрытия клапана 26 р2 = 7 МПа. Этому давлению при площади меньшей ступени плунжера 26 Fпл1 = 0,283 см² соответствует сила предварительного поджатия пружины 31 Рпр2 = 198 Н. Зная силу предварительного поджатия пружины 31, можно подобрать саму пружину по ГОСТ 18793, либо, зная наружный диаметр, длину и ход пружины, спроектировать собственную пружину. В нашем случае пружина 31 имеет следующие параметры (рис. 4): наружный диаметр Dнар = 18 мм; диаметр прутка d = 1,8 мм; внутренний диаметр Dвн = 14,4 мм; длина без нагрузки l0 = 214 мм; контрольная длина l1 = 62 мм; сила пружины (при l1) Р1 = 184,09 Н; контрольная длина l2 = 50 мм; сила пружины (при l2) Р2 = 198,62 Н; длина в сжатом состоянии l3 = 38,7 мм; сила пружины (при l3) Р3 = 212,31 Н; расстояние между витками t = 10,57 мм; рабочее число витков n = 20 шт.; жесткость пружины с1 = 1,21 Н/мм; материал сталь 60С2А, ГОСТ 14959-79. При времени открытия клапана 26 tоткр1 = 2T, согласно формуле (16), скорость перемещения плунжера 26 равна скорости перемещения плунжера 18: υпл1 = υпл2 = 0,6 см/с. Зная скоростью υпл2 и силу поджатия пружины 31 при закрытом клапане 26, можно определить площадь дроссельного отверстия в обратном клапане 26 по формуле (17). При кольцевой площади плунжера 26 Fпл.к2 = 1,72 см² площадь дроссельного отверстия fдр2 = 7,2∙10-4 см². Этой площади, согласно формуле (19), соответствует диаметр дроссельного отверстия в обратном клапане 26 dдр1 = 0,3 мм. Демпфирующие характеристики данной подвески, рассчитанные по формуле (20) при открытых и закрытых клапанах 18 и 26, показаны на рис. 5. Эти характеристики построены при следующих исходных данных: диаметр основного дроссельного отверстия do = 5 мм; диаметр дополнительного дроссельного отверстия dдоп = 10 мм. Рис. 5. Демпфирующие характеристики ПГР: R1 - при закрытых клапанах 18 и 26 на ходе сжатия; R2 - при открытых клапанах 18 и 26 на ходах сжатия и отбоя Заключение 1. Разработанная ПГР с адаптивным демпфирующим узлом саморегулируемым по амплитуде, направлению и частоте колебаний, имеет простую конструкцию и позволяет значительно уменьшить ускорения «тряски» при движении БГМ по мелким неровностям (клапаны 18 и 26 открыты), практически исключить пробои подвески при возникновении больших вертикальных и угловых колебаний корпуса машины (клапан 18 закрыт), а также максимально задемпфировать подвеску после полного выдвижения штока (клапан 26 закрыт) при движении БГМ через трамплины с отрывом катков от опорной поверхности. 2. Изложенная в статье инженерная методика расчета позволяет определять параметры основных элементов адаптивного демпфирующего узла, строить упругие и демпфирующие характеристики ПГР с учетом работы предохранительного клапана хода сжатия и обратного клапана хода отбоя. 3. Применение разработанной ПГР с адаптивным саморегулируемым демпфером позволит повысить подвижность БГМ и уменьшить потери энергии в подвеске, а также, по сравнению с регулируемыми подвесками с внешним управлением - существенно снизить стоимость системы подрессоривания и повысить надежность ее работы. Рис. 1. ПГР с адаптивным саморегулируемым демпфером Рис. 2. Упругие характеристики пневмогидравлической подвески БГМ: 1 - статическая (n = 1); 2 - динамическая (n = 1,39)
×

About the authors

V. V Novikov

Volgograd State Technical University

Email: markov-gennadiy@yandex.ru
DSc in Engineering Volgograd, Russia

I. M Ryabov

Volgograd State Technical University

Email: markov-gennadiy@yandex.ru
DSc in Engineering Volgograd, Russia

K. V CHernyshov

Volgograd State Technical University

Email: markov-gennadiy@yandex.ru
PhD in Engineering Volgograd, Russia

A. V Pozdeev

Volgograd State Technical University

Email: markov-gennadiy@yandex.ru
PhD in Engineering Volgograd, Russia

A. V Pohlebin

Volgograd State Technical University

Email: markov-gennadiy@yandex.ru
PhD in Engineering Volgograd, Russia

G. V Markov

Volgograd State Technical University

Email: markov-gennadiy@yandex.ru
Volgograd, Russia

References

  1. Новиков В.В., Рябов И.М., Горобцов А.С., Чернышов К.В., Подзоров А.В. Пневмогидравлическая рессора подвески транспортного средства: патент на изобретение № 23196020, Российская Федерация; ВолгГТУ. Бюл. № 3, 2008.
  2. Новиков В.В., Рябов И.М., Чернышов К.В. Виброзащитные свойства подвесок автотранспортных средств: монография; ВолгГТУ. Волгоград, 2009. 338 с.
  3. Поздеев А.В., Новиков В.В., Дьяков А.С., Похлебин А.В., Рябов И.М., Чернышов К.В. Регулируемые пневматические и пневмогидравлические рессоры подвесок автотранспортных средств: монография; ВолгГТУ. Волгоград, 2013. 244 с.
  4. Новиков В.В., Рябов И.М., Похлебин А.В., Поздеев А.В., Марков Г.В. Пневмогидравлическая рессора с адаптивным демпфированием для подвесок быстроходных машин высокой проходимости // Прогресс транспортных средств и систем - 2018: материалы междунар. науч.-практ. конф. (г. Волгоград, 9-11 октября 2018 г.); ВолгГТУ, РФФИ, ОАО «ЦКБ «Титан». Волгоград, 2018.C. 53-55.
  5. Новиков В.В., Рябов И.М., Чернышов К.В., Поздеев А.В., Марков Г.В. Пневмогидравлическая рессора подвески транспортного средства: патент на изобретение № 2694706, Российская Федерация; ВолгГТУ. Бюл. № 20, 2019.
  6. Марков Г.В., Сериков С.А. Пневмогидравлическая рессора с адаптивным демпфером для подвески быстроходной гусеничной машины // XXIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 11-14 декабря 2018 г.): тез. док. / редкол.: А.В. Навроцкий (отв. ред.) [и др.]; Комитет образования, науки и молодежной политики Волгоградской обл., Совет редакторов вузов Волгоградской обл., Волгоградский гос. техн. ун-т. Волгоград, 2019. С. 50-51.
  7. Method of calculating the adaptive damper of the pneumohydraulic spring for the suspension of a high-speed vehicle / В.В. Новиков, А.В. Поздеев, Г.В. Марков, А.В. Похлебин, Д.А. Чумаков, К.В. Чернышов, А.В. Леонард // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 632: International Conference on Innovations in Automotive and Aerospace Engineering (Irkutsk, Russia, 27 May - 1 June, 2019): Proceedings / Irkutsk National Research Technical University. [IOP Publishing], 2019. 8 p. doi: 10.1088/1757-899X/632/1/012057.

Statistics

Views

Abstract: 63

PDF (Russian): 21

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Novikov V.V., Ryabov I.M., CHernyshov K.V., Pozdeev A.V., Pohlebin A.V., Markov G.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies