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

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

Supplementary files