1.5. Рессорное подвешивание

1.5.1. Исходные понятия

Для выяснения предназначения рессорного подвешивания определимся с основными понятиями.

Подвеска транспортных машин – совокупность устройств, связывающих колеса с рамой (кузовом) и предназначенная для уменьшения динамических нагрузок передающихся транспортному средству вследствие неровности дороги, а также обеспечивающих передачу всех сил и моментов, действующих между кузовом и рамой (кузовом).

Рессора (франц. resort выходить наружу – эластичная пружина или связка гнутых стальных полос между осями и кузовом экипажа, вагона) служит для смягчения толчков при езде. У нас в вагоностроении рессоры рассматриваются как обобщенное понятие всех элементов, обладающих упругими и демпфирующими свойствами и применяющимися на вагонах для смягчения колебаний и вибраций.

Следовательно, под рессорным подвешиванием будем понимать совокупность устройств, связывающих колеса с рамой (кузовом), предназначенных для уменьшения динамических нагрузок, действующих на вагоны, создающими комфортные условия для перевозки полезной нагрузки, обеспечивающими безопасность движения, а также передающих транспортному средству всех сил и моментов, действующих на вагон при движении.

При этом, будем рассматривать, что:

колебания – изменение состояния, характеризующиеся повторяемостью движений во времени. Колебания имеют различную физическую природу, отличаются «механизмом» возбуждения, характером, степенью повторяемости и быстротой смены состояния. Различают механические колебания: элементов, узлов, частей и всех машин, а также других явлений и процессов. В теории колебаний рассматриваются периодические и непериодические колебания. Наиболее простыми являются периодические колебания, при которых значения физических величин a, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени Т:

a(t + T)= a(t),

где t – время, а T – период колебаний. За период совершается одно полное колебание.

Число полных колебаний в единицу времени ω = 1/Т называется частотой периодических колебаний. Простейшие периодические колебания – гармонические колебания. Любое произвольное колебание можно представить в виде суммы гармонических колебаний;

вынужденные колебания, возникают под влиянием переменных внешних возмущений, собственные, - появляются из-за какого-либо начального отклонения этой системы из состояния устойчивого равновесия;

затухание колебаний – постепенное ослабление колебаний, обусловленное уменьшением энергии колебательного процесса, вследствие потерь. В механических колебательных системах оно происходит, главным образом, из-за трения и затрат на возбуждение упругих волн в окружающей среде;

с приближением частоты внешнего воздействия к частоте собственных колебаний в системе резко возрастает амплитуда вынужденных колебаний – появляется резонанс (лат. resono откликаюсь). Для вагонов его появление не желательно;

вибрации (лат. vibratio колебание – колебательные движения тела) - это механические колебания упругих тел, непосредственно передаваемые телу человека. Основными физическими характеристиками вибрации являются амплитуда и частота колебаний. Вибрации, с частотой до 32 Гц относят к низкочастотной, а более 32 Гц – высокочастотной. Тело человека представляет собой сочетание различных масс с упругими связями, имеющими собственные колебания разной частоты. Под влиянием вибрации может появляться резонанс, при котором амплитуда колебаний отдельных частей или органов тела увеличивается и может достигать критических значений (рис.1.48, табл. 1.8). Для лежащего человека резонансная частота находится в пределах 3 – 3,5 Гц, для сидящего – 4 - 6 Гц. Для стоящего пассажира имеются две резонансные частоты – 5 - 7 и 17 - 25 Гц. Явление резонанса для головного мозга наступает в области частот от 20 до 30 Гц. Резонансные частоты практически не зависят от индивидуальных особенностей человека. Ткани человека обладают различной способностью к передаче вибраций. Наилучшими ее проводниками являются кости; суставы же являются активными гасителями колебаний. Воздействие общей вибрации приводит к нарушению сна, повышенной утомляемости, снижению работоспособности, изменениям в центральной нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной системах, наблюдается расстройство вестибулярного аппарата, происходит ухудшение остроты и сужение полей зрения, снижается цветоразличение, усиливается неблагоприятное воздействие шума;

деформация (лат. deformatio искажение) – изменение формы или размеров тела под воздействием внешних сил. Различают упругую деформацию (исчезающую после устранения воздействия, вызвавшего деформацию) и пластическую деформацию (остающуюся послу удаления нагрузки). Для упругих деформаций справедлив закон Гука. Простейшие виды деформации – растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб;

напряжения – мера внутренних сил, возникающих в элементах сооружений и машин под влиянием внешних воздействий;

упругий элемент – деталь машины или механизма, служащая для временного накопления энергии при ее упругой деформации под влиянием нагрузки. По прекращению действия нагрузки упругий элемент отдает накопленную энергию и восстанавливает свою первоначальную форму. Эти элементы используются для восприятия энергии удара и смягчения его действий, для виброизоляции, приведения механизмов в движение и т.д.;

демпфер (нем. Dämpfer глушитель – устройство для успокоения (демпфирования) или предотвращения вредных механических колебаний звеньев машин и механизмов путем поглощения энергии (катаракт (греч. katarrháktēs водопад – устройство для гашения колебаний и ослабления ударов в машинах, железнодорожных вагонах, артиллерийских

Рис. 1.48. Резонансные частоты отдельных частей тела человека

Табл. 1. 8. Области частот вредного влияния вибрации на человека

орудиях, автоматических регуляторах и др.). Катаракт поглощает механическую энергию движения, обращая ее в тепло. Катаракты выполняют в виде поршневых, мембранных, сильфонных и других устройств с камерами переменного объема, заполненными жидкостью. В отличие от амортизаторов катаракт не имеет упругих частей; механическая энергия в нем не аккумулируется, а преобразуется в тепловую, рассеиваемую в пространстве) - гаситель колебаний, элемент, не допускающий появление резонанса и приводящий к затуханию колебаний; обязательный элемент рессорного подвешивания вагона;

амортизатор (франц. amortir ослаблять, смягчать – устройство для смягчения ударов, защиты от сотрясений и больших нагрузок в машинах) - применяются для гашения колебаний при езде по нервной дороге, для смягчения ударов. Это своего рода обобщенное название элементов подвешивания, сочетающих в себе упругие и демпфирующие свойства.