Estimation of influence of ride smoothness of transport-technological machines on driving safety in off-road conditions

Abstract

BACKGROUND: Driving safety of transport-technological machines, especially in off-road conditions, largely depends on the stiffness and damping of suspension. These properties directly affect the ride smoothness and static transverse stability of the machine on a slope, ensure the ability of long-term motion on rough roads in the range of operating velocities without exceeding the established limits of vibration accelerations, causing unpleasant sensations and rapid fatigue of a driver, constant contact of wheels with the ground, as well as avoiding excessive wheel bump. Therefore, it is necessary to provide the suspension with the required elastic and damping characteristics by using a pneumohydraulic shock absorber in the design and to evaluate its effect on the safety of driving in off-road conditions.

AIM: Development of a method for assessing the impact of ride smoothness of transport and technological machines on the main indicators of driving safety in off-road conditions in the development of new technical solutions aimed at improving the ride smoothness.

METHODS: Modeling of oscillatory processes of the machine masses connected with each other by stiffness-damping links at unsteady and steady oscillations, modeling of the influence of the stiffness of the elastic suspension element on the static transverse stability of the machine on a slope are performed in the Mathcad software environment.

RESULTS: As a result of mathematical modeling of oscillatory processes of masses of the machine it was established that the application of the proposed shock absorber allows in case of driving over a single bump of 0.08 m height at a speed of 30 km/h to reduce body displacement from 0,070 m to 0,056 m and its acceleration from 3,50 m/s² to 1,35 m/s², there by achieving complete damping of the oscillatory process of the masses already in the fourth period, and in the case of driving over a sinusoidal bump, the oscillatory process is largely stabilized, the wheel copies the profile of the bump, as a result of which the movement of the body decreases from 0,045 m to 0,030 m, and the acceleration of the body after the transition process decreases from 2,2 m/s² to 0,8 m/s². The analysis of evaluation of influence of smooth running on static transverse stability of the machine has shown that as a result of taking into account the elasto-hydraulic characteristics of the shock absorber and the pneumatic tires themselves it is possible to increase the angle of static stability on lateral overturning from 38° to 43° with maximum permissible angle of body roll of 8.4°.

CONCLUSION: The knowledge of methods of estimation of influence of ride smoothness of transport-technological machines on the main indicators of driving safety in off-road conditions makes it possible to analyze the efficiency of application of the proposed technical solutions aimed at increasing the ride smoothness of the machine in off-road conditions.

Keywords

transport-technological machines / machine suspension / pneumohydraulic damper / oscillating system of suspension / stiffness-damping property of suspension / static transverse stability of machine

References

[1] Novikov VV, Ryabov IM, Chernyshov K.V. Vibration-protective properties of suspensions of motor vehicles. Moscow, Vologda: Infra-Inzheneriya; 2021. (In Russ.) EDN: FRSPKX

[2] Новиков В.В., Рябов И.М., Чернышов К.В. Виброзащитные свойства подвесок автотранспортных средств. Москва, Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. EDN: FRSPKX

[3] Novikov VV, Chernyshov KV, Pozdeev AV, et al. Combined damping systems in suspensions of motor vehicles. Moscow; Vologda: Infra-Inzheneriya; 2024. (In Russ.)

[4] Новиков В.В., Чернышов К.В., Поздеев А.В. и др. Комбинированные демпфирующие системы в подвесках автотранспортных средств. Москва, Вологда: Инфра-Инженерия, 2024.

[5] Novikov VV, Chernyshov KV, Pozdeev AV. Calculation of the systems of motor vehicles suspension. Moscow; Vologda: Infra-Engineering; 2024. (In Russ.)

[6] Новиков В.В., Чернышов К.В., Поздеев А.В. Расчет систем подрессоривания автотранспортных средств: учебник. Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2024.

[7] Repin SV, Bukirov RR, Vasilieva PV. Study on effects of damping characteristics of base chassis suspension on operational safety of transport and handling machinery. In: Transportation Research Procedia: 14, Saint Petersburg, October 21–24, 2020. Saint Petersburg; 2020:574–581. doi: 10.1016/j.trpro.2020.10.069 EDN: MTWSYH

[8] Repin S.V., Bukirov R.R., Vasilieva P.V. Study on effects of damping characteristics of base chassis suspension on operational safety of transport and handling machinery // Transportation Research Procedia: 14, Saint Petersburg, 21–24 октября 2020 года. Saint Petersburg, 2020. P. 574–581. doi: 10.1016/j.trpro.2020.10.069 EDN: MTWSYH

[9] Repin S, Bukirov R, Vorontsov I, et al. Improving the movement smoothness of a mobile repair shop for machinery servicing in the Arctic // Transportation Research Procedia, St. Petersburg, 02–04 June 2021. St. Petersburg, 2021;553–561. doi: 10.1016/j.trpro.2021.09.084 EDN: DJBMGB

[10] Repin S., Bukirov R., Vorontsov I., et al. Improving the movement smoothness of a mobile repair shop for machinery servicing in the Arctic // Transportation Research Procedia, St. Petersburg, 02–04 июня 2021 года. St. Petersburg, 2021. P. 553–561. doi: 10.1016/j.trpro.2021.09.084 EDN: DJBMGB

[11] Bukirov RR. Modeling of damping processes of suspension damping of transport-technological means on the basis of automobile chassis in the Arctic operating conditions. In: Technical provision of accessibility of the Arctic regions: Proceedings of the III All-Russian scientific seminar, St. Petersburg, October 27, 2022. St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, 2022:57–65. (In Russ.) EDN: EAMVYY

[12] Букиров Р.Р. Моделирование процессов демпфирования подвески транспортно-технологических средств на базе автомобильных шасси в Арктических условиях эксплуатации. В кн.: Техническое обеспечение доступности арктических регионов: Материалы III Всероссийского научного семинара, Санкт-Петербург, 27 октября 2022 года. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2022. С. 57–65. EDN: EAMVYY

[13] Dubrovskiy AF, Abramov MI, Sakulin YuA. Selection of suspension parameters of “Ural” trucks to increase the speed of movement on worn-out dirt roads. Bulletin of Orenburg State University. 2014;10(171):66–75 (In Russ.) EDN: TPNREB

[14] Дубровский А.Ф., Абрамов М.И., Сакулин Ю.А. Выбор параметров подвески грузовых автомобилей «Урал» для повышения скорости движения по изношенным грунтовым дорогам // Вестник Оренбургского государственного университета, 2014. № 10(171). С. 66–75. EDN: TPNREB

[15] Repin SV, Maslennikov NA, Orlov DS, et al. Investigation of the processes of smooth running of transport-technological machines based on truck chassis in difficult road conditions. Transport, Mining and Construction Engineering: Science and Production. 2023;23:76–84. (In Russ.) doi: 10.26160/2658-3305-2023-23-76-84 EDN: UMNUWF

[16] Репин С.В., Масленников Н.А., Орлов Д.С., и др. Исследование процессов обеспечения плавности хода транспортно-технологических машин на базе шасси грузовых автомобилей в сложных дорожных условиях // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство, 2023. № 23. С. 76–84. doi: 10.26160/2658-3305-2023-23-76-84 EDN: UMNUWF

[17] Reimpel Y. Car chassis: Shock absorbers, tires and wheels. Moscow: Mashinostroenie; 1986 (In Russ.)

[18] Раймпель Й. Шасси автомобиля: Амортизаторы, шины и колеса. М.: Машиностроение, 1986.

[19] Rotenberg R.V. Car suspension. Vibrations and smooth running. M.: Mashinostroenie; 1972 (In Russ.)

[20] Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля. Колебания и плавность хода. М.: Машиностроение, 1972.

[21] Ablaev R.R., Chernomorets D.I. Influence of pneumatic suspension condition on stability and controllability of the vehicle. International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2021;4-1(55):10–13. (In Russ.) doi: 10.24412/2500-1000-2021-4-1-10-13 EDN: UWEFHA

[22] Аблаев Р.Р., Черноморец Д.И. Влияние состояния пневматической подвески на устойчивость и управляемость транспортного средства // Международный журнал гуманитарных и естественных наук, 2021. № 4–1(55). С. 10–13. doi: 10.24412/2500-1000-2021-4-1-10-13 EDN: UWEFHA

[23] Tarasik VP. Theory of vehicle motion. Saint Petersburg: BHV-Peterburg; 2022. (In Russ.) EDN: FOWIQZ

[24] Тарасик В.П. Теория движения автомобиля. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2022. EDN: FOWIQZ

[25] Ageykin YaS. Passability of automobiles. M.: Mashinostroenie; 1981. (In Russ.)

[26] Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981.

[27] Mishuta DV, Mikhailov VG. Influence of design parameters of the car and its suspension on the stability and controllability of the staff car. Bulletin of the Belarusian-Russian University. 2013;3(40):30–36. (In Russ.) doi: 10.53078/20778481_2013_3_30 EDN: RRYLSR

[28] Мишута Д.В., Михайлов В.Г. Влияние конструктивных параметров автомобиля и его подвески на устойчивость и управляемость штабной машины // Вестник Белорусско-Российского университета, 2013. № 3(40). С. 30–36. doi: 10.53078/20778481_2013_3_30 EDN: RRYLSR

[29] Safiullin RN, Kerimov MA, Valeev DH. Design, calculation and operational properties of transport and transportation-technological machines: training manual. St. Petersburg: Lan; 2022. (In Russ.) EDN: YIIXXP

[30] Сафиуллин Р.Н., Керимов М.А., Валеев Д.Х. Конструкция, расчёт и эксплуатационные свойства транспортных и транспортно-технологических машин. Санкт-Петербург: Лань, 2022. EDN YIIXXP

[31] Tint NV, Alakin VM. Investigation of the influence of the body roll on the transverse stability of a cargo van when turning. Proceedings of R.E. Alekseev NSTU. 2022;3(138):106–113. (In Russ.) doi: 10.46960/1816-210X_2022_3_106 EDN: SMGIQF

[32] Тинт Н.В., Алакин В.М. Исследование влияния крена кузова на поперечную устойчивость грузового фургона при повороте // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2022. № 3(138). С. 106–113. doi: 10.46960/1816-210X_2022_3_106 EDN: SMGIQF

[33] Krivtsov SN, Krivtsova TI, Stepanov NV. Testing of wheeled machines: training manual. Molodezhny: IrGAU; 2020. (In Russ.)

[34] Кривцов С.Н., Кривцова Т. И., Степанов Н.В. Испытания колёсных машин. Молодежный: ИрГАУ, 2020.

[35] Samusenko MF. Design and calculation of heavy-duty vehicles. Design and calculation of suspensions. Mobility and stability: training manual. Moscow: MADI; 1984. (In Russ.)

[36] Самусенко М.Ф. Конструирование и расчет большегрузных транспортных средств. Конструирование и расчет подвесок. Подвижность и устойчивость. Москва: МАДИ, 1984.

[37] Fomin VM. Automobiles. Theory of operational properties of automobiles. Moscow: RUDN; 2008. (In Russ.)

[38] Фомин В.М. Автомобили. Теория эксплуатационных свойств автомобилей. Москва: РУДН, 2008.

[39] Chernyshov KV, Ryabov IM, Novikov VV, et al. Dynamics of motion. Adjustable suspensions: training manual. Moscow; Vologda: Infra-Inzheneriya; 2023. (In Russ.)

[40] Чернышов К.В., Рябов И.М., Новиков В.В., и др. Динамика движения. Регулируемые подвески. Москва; Вологда: Инфа-Инженерия, 2023.

[41] Derbaremdiker AD. Hydraulic shock absorbers of automobiles. M.: Mashinostroenie, 1969. (In Russ.)

[42] Дербаремдикер А.Д. Гидравлические амортизаторы автомобилей. М.: Машиностроение, 1969.

[43] Patent RUS for useful model № 204114/ 07.05.2021. Bull. №. 13. Artemyev V.N., Repin S.V., Dobromirov V.N., Bukirov R.R. et al. Pneumohydraulic shock absorber. (In Russ.) EDN: BBBIHQ

[44] Патент РФ на полезную модель № 204114 / 07.05.2021. Бюл. № 13. Артемьев В.Н., Репин С.В., Добромиров В.Н., Букиров Р.Р. и др. Пневмогидравлический амортизатор. EDN: BBBIHQ

[45] Safonov R.A. Typical defects of the upper road surface in Russia. Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and Architecture. 2020;20(2):75–84. (In Russ.) doi: 10.14529/build200210 EDN: WQYSOM

[46] Сафонов Р.А. Типичные дефекты верхнего дорожного покрытия в России // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура, 2020. Т. 20, № 2. С. 75–84. doi: 10.14529/build200210 EDN: WQYSOM

[47] Taberlet N, Morris SW, McElwaine JN. Washboard road: the dynamics of granular ripples formed by rolling wheels. Physical review letters. 2007;99(6). doi: 10.1103/PhysRevLett.99.068003

[48] Taberlet, N., Morris, S.W., McElwaine, J.N. Washboard road: the dynamics of granular ripples formed by rolling wheels. Physical review letters. 2007. Vol. 99(6). doi: 10.1103/PhysRevLett.99.068003

[49] Repin SV, Dobromirov VN, Orlov DS. Investigation of the elastic characteristic of a new pneumohydraulic shock absorber. Bulletin of Civil Engineers. 2019;5(76):260–269. (In Russ.) doi: 10.23968/1999-5571-2019-16-5-260-269 EDN: KIGLHH

[50] Репин С.В., Добромиров В.Н., Орлов Д.С. Исследование упругой характеристики нового пневмогидравлического амортизатора // Вестник гражданских инженеров, 2019. № 5(76). С. 260–269. doi: 10.23968/1999-5571-2019-16-5-260-269 EDN: KIGLHH

[51] Dobromirov VN, Gusev EP, Karunin MA, et al. Shock absorbers. Design. Calculation. Testing. Moscow: MGTU «MAMI»; 2006. (In Russ.)

[52] Добромиров В.Н., Гусев Е.П., Карунин М.А., и др. Амортизаторы. Конструкция. Расчёт. Испытания. Москва: МГТУ «МАМИ», 2006.

[53] Repin SV, Dobromirov VN, Orlov DS, et al. Investigation of Damping Characteristic of a New Hydropneumatic Shock Absorber. Vestnik of Civil Engineers. 2020;2(79):187–194. (In Russ.) doi: 10.23968/1999-5571-2020-17-2-187-194 EDN: MYJPDN

[54] Репин С.В., Добромиров В.Н., Орлов Д.С. и др. Исследование демпфирующей характеристики нового гидропневматического амортизатора // Вестник гражданских инженеров, 2020. № 2(79). С. 187–194. doi: 10.23968/1999-5571-2020-17-2-187-194 EDN: MYJPDN

[55] Patent RUS for useful model № 194004 / 22.11.2019. Bull. №. 33. Repin SV, Evtyukov SS, Orlov DS. Two-tube hydropneumatic shock absorber. (In Russ.) EDN: OTWWNB

[56] Патент РФ на полезную модель № 194004/ 22.11.2019. Бюл. № 33. Репин С.В., Евтюков С.С., Орлов Д.С. Двухтрубный гидропневматический амортизатор. EDN: OTWWNB

[57] Patent RUS for useful model № 208894 / 20.01.2022. Bull. №. 2. Repin SV. Pnevmohydraulic shock absorber. (In Russ.) EDN: SEPQCX

[58] Патент РФ на полезную модель № 208894 / 20.01.2022. Бюл. № 2. Репин С.В. Пневмогидравлический амортизатор. EDN: SEPQCX

[59] Patent RUS for useful model № 204317 / 19.05.2021. Bull. № 14. Repin SV. Single-tube hydropneumatic shock absorber. (In Russ.) EDN: IBGLNO

[60] Патент РФ на полезную модель № 204317/ 19.05.2021. Бюл. № 14. Репин С.В. Однотрубный гидропневматический амортизатор. EDN IBGLNO

[61] Patent RUS for useful model № 218675 / 05.06.2023. Bull. № 16. Bukirov RR. Pneumohydraulic shock absorber with a remote pneumatic chamber. (In Russ.) EDN: QUJXCP

[62] Патент РФ на полезную модель № 218675/ 05.06.2023. Бюл. № 16. Букиров Р.Р. Пневмогидравлический амортизатор с выносной пневматической камерой. EDN: QUJXCP

[63] Ruban VG, Matva AM. Solution of problems of dynamics of railway crews in Mathcad package: training manual. Rostov on Don: RGUPS; 2009. (In Russ.)

[64] Рубан В.Г., Матва А.М. Решение задач динамики железнодорожных экипажей в пакете Mathcad. Ростов-на-Дону: РГУПС, 2009.

[65] Rykov SP. Fundamentals of inelastic resistance theory in pneumatic tires with applications. St. Petersburg: Lan; 2017. (In Russ.) EDN: YTYEGM

[66] Рыков С.П. Основы теории неупругого сопротивления в пневматических шинах с приложениями. Санкт-Петербург: Лань, 2017. EDN: YTYEGM

[67] Levkovsky DI, Makarov RI. System approach to research and development of information systems. Vladimir: VlGU; 2010. (In Russ.)

[68] Левковский Д.И., Макаров Р.И. Системный подход к исследованию и разработке информационных систем. Владимир: ВлГУ, 2010.

[69] Volkov IV, Ruban VG. Comparative studies of the dynamic qualities of the variants of the crew part of an eight-axle electric locomotive. In: Design and research issues of mainline and industrial electric locomotives: Collection of scientific works. Tbilisi; 1990;55–59. (In Russ.)

[70] Волков И.В., Рубан В.Г. Сравнительные исследования динамических качеств вариантов экипажной части восьмиосного электровоза. В кн.: Вопросы конструирования и исследования магистральных и промышленных электровозов: сб. научн. тр. Тбилиси, 1990. С. 55–59.

[71] Certificate RUS of state registration of computer program № 2024614880 / 29.02.2024. Bukirov RR. Program of calculation of transverse static stability of transport-technological machines on a slope, taking into account the characteristics of suspension. (In Russ.)

[72] Свидетельство РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2024614880 / 29.02.2024. Букиров Р.Р. Программа расчёта поперечной статической устойчивости транспортно-технологических машин на косогоре, учитывающая характеристики подвески. EDN: GDPCRR

[73] GOST 31507-2012. Motor vehicles. Steerability and stability. Technical requirements. Test methods. Introduced. 2013-10-01. Moscow: Standardinform; 2013. (In Russ.)

[74] ГОСТ 31507-2012. Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний. Введ. 2013-10-01. М.: Стандартинформ, 2013.

[75] Certificate RUS of state registration of computer program № 2023683969 / 13.11.2023. Bukirov RR. Program of calculation and estimation of energy intensity of elastic element of pneumohydraulic shock absorber with progressive elastic characteristic. (In Russ.) EDN: HIPCSD

[76] Свидетельство РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2023683969 / 13.11.2023. Букиров Р.Р. Программа расчета и оценки энергоемкости упругого элемента пневмогидравлического амортизатора с прогрессивной упругой характеристикой. EDN: HIPCSD

[77] GOST 31191.1-2004. Vibration and shock. Measurement of total vibration and assessment of its effect on humans. Part 1. General requirements. Annex B. Introduced on 2018-02-01. Moscow: Standardinform, 2010. (In Russ.)

[78] ГОСТ 31191.1-2004. Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка её воздействия на человека. Часть 1. Общие требования. Приложение В. Введ. 2018-02-01. М.: Стандартинформ, 2010.

[79] Shekhovtsov VV. Podressorivanie kabinsnykh kabinsnykh i caterpillarnykh machineries. Moscow, Vologda: Infra-Engineering; 2023 (In Russ.)

[80] Шеховцов В.В. Подрессоривание кабин колёсных и гусеничных машин. Москва, Вологда: Инфра-инженерия, 2023.

[81] Technical characteristics of the tire KAMA-URAL 390/95R20. [internet]. Accessed: 16.01.2023. Available from: https://www.td-kama.com/ru/tyre_catalog/213476/

[82] Технические характеристики шины КАМА-УРАЛ 390/95R20. [iternet]. Дата обращения 16.01.2023. Режим доступа: https://www.td-kama.com/ru/tyre_catalog/213476/

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector