Рыков С.П., Тарасюк В.Н., Коваль В.С.

Братский государственный университет, Россия

Экспериментальная оценка неупругого сопротивления в резиновых виброизоляторах

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований резиновых виброизоляторов с использованием гидропульсационного стенда, и электромеханического вибратора рычажного типа кафедры АТ БрГУ; обосновывается применение эллиптическо-степенной модели для описания неупругого сопротивления в виброизоляторе; оценивается влияние режима нагружения на параметры данной модели.

The paper presents the results of experimental studies of rubber shock absorbers with gidropulsatsionnogo stand and electromechanical vibrator wishbone chair AT BrGU, justified the use of elliptic-power model to describe the inelastic resistance to vibration isolators; estimated impact loading conditions on the parameters of the model.

Снижение уровня вибрации двигателя, агрегатов трансмиссии и несущей конструкции автомобиля является задачей по-прежнему актуальной. Для её решения на автомобилях устанавливаются различные резиновые и резинометаллические элементы виброзащиты. С целью повышения эффективности применения подобных элементов необходимо теоретически обосновать выбор параметоров, определяющих их упругодемпфирующие свойства. А для этого требуется построить модель для описания и оценки, в первую очередь, неупругого сопротивления в элементах виброзащиты при их деформировании в процессе движения и колебаний автомобиля.

В настоящее время в большинстве исследований моделирование неупругого сопротивления в резиновых виброизоляторах осуществляется с использованием так называемой вязкостной модели. Что не вполне отражает реально поглащённую и рассеянную виброизолятором энергию за цикл колебаний масс автомобиля.

Между тем, одной из основных выходных характеристик резиновых и резинометаллических элементов виброзащиты является характеристика упругости, которая в явном виде (в виде площади замкнутой петли) отражает энергию, теряемую при демпфировании элемента от действия сил эллипса с большим эксцентриситетом (см. рис.1)

Рис. 1. Образцы характеристик упругости элементов виброзащиты автомобиля при нагружении в осевом направлении В1 - В5, К1 - элементы разного конструктивного исполнения.

Поэтому, для построения модели неупругого сопротивления в подобных элементах виброзащиты можно использовать математический аппарат эллиптическо-степенной модели поглощающей способности пневматической шины, разработанной и всесторонне теоретически и экспериментально апробированной в исследованиях [1,2,3,4].

Тогда уравнение характеристики упругости резинового виброизолятора может быть записано в виде:

(1)

где F_э – текущее значение силы сопротивления в резиновом элементе виброзащиты; δ, δ_а – текущее и амплитудное значения деформации элемента; Н_э, v – коэффициенты, отражающие степень проявления неупругого сопротивления; - функция, обозначающая знак .

Для упрощения предлагаемой модели в случае ввода ее в дифференциальное уравнение движения колебательных систем автомобиля можно использовать методы линеаризации и энергетического баланса. В результате теоретических исследований получено выражение коэффициента сопротивления, эквивалентного вязкостному, в виде

₍₂₎

где δ_ст – статическая деформация элемента под действием массы агрегата;

p – круговая частота колебаний агрегата на элементе.

Перед экспериментальными исследованиями резиновых виброизоляторов ставились задачи подтвердить правильность теоретических положений, на которых строится модель (1), и определить функциональные зависимости параметров этой модели от параметров динамического нагружения виброизоляторов.

Эксперимент проводился на гидропульсационном стенде кафедры «Автомобильный транспорт» БрГУ, общий вид которого в комплектации для испытания резиновых элементов виброзащиты, а также измерительно-информационная система представлены на рис. 2

Рис. 2 Стендовое оборудование для экспериментальных исследований виброизоляторов: а) – общий вид гидропульсационного стенда в комплектации для испытания виброизоляторов; б) – информационно-измерительная система

Состав, описание конструкции и технические возможности стенда подробно изложены в работе [5]. Следует отметить, что нагружение виброизолятора при испытаниях осуществляется как гидроцилиндром стенда, имитирующим статическую нагрузку агрегата, так и электромеханическим вибратором рычажного типа, имитирующим динамическую нагрузку от колебаний агрегата на виброизоляторе.

Методика проведения экспериментов предусматривала построение характеристик упругости отобранных для испытания образцов виброизоляторов при изменении частоты колебаний и уровня статической нагрузки в пределах, достаточных для выявления закономерностей между параметрами модели и параметрами нагружения, и в количестве, обеспечивающем статическую достоверность оцениваемых параметров. Методики проведения экспериментов и обработки результатов имеют много общего с аналогичными методиками испытания пневматических шин, которые подробно освещены в работе [6].

Результаты эксперимента и основные выводы о соответствии модели и закономерностях ее параметров даны на примере виброизолятора «подушка опор двигателя» легкового автомобиля ГАЗ-3102.

На рис.3 и 4 представлены характеристики упругости указанного виброизолятора, построенные для двух случаев. Первый: σ_э = const, f = var; второй: f = const, P_zg = var (размах динамической нагрузки).

Рис. 3. Диаграммы с экспериментальными характеристиками упругости подушки опор двигателя ГАЗ-3102, построенных для случая δ_э = 1,5 мм и f = 0…10 Гц; P_z – нагрузка на виброизолятор, f – частота колебаний виброизолятора; нулевая линия абсцисс соответвует номинальной статической нагрузке на виброизолятор 1,8 кН

Рис.4 Диаграммы с экспериментальными характеристиками упругости подушки опор двигателя ГАЗ-3102, построенных для случая f=const, и P_zd = 1000…2000 Н (обозначения те же, что и на рис.3)

Результаты обработки характеристик упругости виброизолятора представлены на рис. 5 и в виде зависимостей амплитудных значений силы неупругого сопротивления от деформаций при варьировании частоты колебаний от 0 до 10 Гц.

δ_a

Рис.5 Результаты обработки экспериментальных характеристик упругости испытанного виброизолятора

Рис.6 Результаты обработки экспериментальных характеристик упругости испытанного виброизолятора в линеаризованном виде:

y = lg F_эа ; x = lg δ_a.

Анализ двух последних диаграмм показывает, что между амплитудными значениями силы неупругого сопротивления и деформации виброизолятора, как и предполагалось, явно проявляется степенная зависимость. Но, в то же время, показатель степени ν остаётся неизменным для разных частот воздействия (что характеризует параллельность линий на рис. 6), а коэффициент H_э возрастает с увеличением частоты. Зависимость параметра модели (1) H_э от частоты колебаний агрегата на виброизоляторе, выявленная в процессе эксперимента, потребовала корректировки модели. Для этого была построена диаграмма (рис.7), где отражены изменения коэффициента H_э от f в виде экспоненциальной функции

H_э = H_эо e ^mf ,

где значения параметров для подушки опор двигателя ГАЗ-3102 равны: H_эо = 98 Н/м^ν ; m = 0,13 1/Гц

H_э = 98 e^0,13f

Рис.7. Зависимость коэффициента H_э модели неупругого сопротивления виброизолятора от частоты его колебаний

Таким образом, эксперимент показал правильность, с учётом корректировки, положений, принятых при выводе модели (1), и позволил выявить закономерности между параметрами модели (H_э , ν) и параметры нагружения (f).

Литература:

1 Рыков С.П. Разработка методов оценки поглощающей и сглаживающей способности пневматических шин при расчетах колебаний автомобиля // Дисс. канд. техн. наук.- М.: ГНЦ РФ «НАМИ», 2000. – 318 с.

2 Рыков С.П. Методы моделирования и оценки поглощающей и сглаживающей способности пневматических шин в расчетах подвески и колебаний колесных машин // Дисс. докт. техн. наук. - М.: ФГУП «НАТИ», 2005. – 430 с.

3 Рыков С.П. Исследования выходных характеристик пневматических шин. Поглощающая способность / С.П. Рыков, В.Н. Тарасюк // Системы. Методы. Технологии. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. – № 2(6) – С. 19 – 30.

4 Рыков С.П. Моделирование и оценка поглощающей и сглаживающей способности пневматических шин в расчетах подвески, плавности хода и подрессоривания автомобиля: Монография. - Братск: БрГТУ, 2004. – 124 с.

5 Рыков С.П. Гидропульсационный стенд – универсальный комплекс для испытания и диагностики пневматических шин и элементов подрессоривания автомобилей / С.П. Рыков, А.В. Камнев // Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта: материалы III Международной научно-практической конференции. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. – С. 164 – 169.

6 Рыков С.П. Экспериментальные исследования поглощающей и сглаживающей способности пневматических шин: Испытательный комплекс, методики проведения экспериментов и обработки результатов: Монография. – Братск: БрГТУ, 2004. – 322 с.

Ключевые слова: Резиновый виброизолятор; неупругое сопротивление; испытания; эллиптическо-степенная модель; гидропульсационный стенд.