3.3.7. Показатели плавности хода

Неровности автомобильных дорог с интенсивной эксплуатацией возникают обычно на некоторых участках через один-два года после постройки дороги и бывают двух видов: микронеровности (высота 3+5 см и длина 8+ 10 см) и волны (высота 10+ 12 см, длина 5 +8 м). Особенно ощутимыми вибрация и колебания становятся на дорогах с булыжным и гравийным покрытием, на поврежденных участках асфальтобетонных дорог и т. д. Способность автомобиля (трактора) двигаться с заданными эксплуатационными скоростями и поглощать возникающие колебания и вибрацию, вредно влияющие на здоровье водителя и пассажиров и сохранность грузов, называется плавностью хода машины.

Колебания автомобиля можно разделить на низкочастотные (приблизительно до 15 + 18 Гц) и высокочастотные (вибрации). С высокой частотой преимущественно колеблютея неподрессоренные массы колес и мостов (осей), находящихся между рессорами и шинами, а с низкой + подрессоренные массы (кузов).

Действие колебаний на организм человека зависит от их частоты, амплитуды, продолжительности действия и направления. Оптимальная частота колебаний для человека составляет 1,7 +2,5 Гц. Одним из основных эксплуатационных требований, предъявляемых к современным автомобилям, является повышение плавности хода и улучшение комфортабельности (удобства) езды.

Оценка плавности хода машины производится по параметрам вертикальных и угловых колебаний кузова. Колебательные движения машины, действующие на человеческий организм, пока оцениваются субъективно. В настоящее время ведутся поиски единого параметра оценки плавности хода, который установит количественную связь между физиологическими воздействиями колебаний на человеческий организм, характером этих колебаний и конструктивными особенностями машины.

Плавность хода машины представляет собой многомассовую колебательную систему, которая оценивается следующими измерителями: периодом колебаний или частотой, амплитудой, скоростью, ускорением колебаний и скоростью нарастания ускорений колебаний.

ПериоД колебаний Т (с) — это промежуток времени, за который колеблющееся тело (кузов) проходит ближайшие одинаковые положения (полное колебательное движение). О повторяемости колебаний можно судить по периоду Т , измеряемому в секундах. Иногда в расчетах вместо периода колебаний используют угловую (циклическую) частоту колебаний со = 1 / Т (Гц) или техническую частоту п, т. е. число колебаний в минуту (кол/мин):

п= 60/Т .

АмплитуДа колебаний zтах (м) — наибольшее отклонение (перемещение) колеблющегося тела (кузова) от положения равновесия.

Скорость колебаний (м/с) — первая производная перемещения по времени.

Ускорение колебаний ј (м/с²) — вторая производная перемещения по времени, т. е. производная скорости по времени.

Скорость нарастания ускорений колебаний ј' (м/с³ ) — третья производная перемещения по времени, т. е. производная ускорения колебаний по времени.

Существуют несколько норм оценок ощущений человеком плавности хода машины: приближенная шкала оценки ощущений по ускорениям, оценка ощущений по средней продолжительности их действия и т. д. Однако все виды оценочных ощущений могут служить лишь для приближенной оценки плавности хода, так как они основаны на сравнительно ограниченном статистическом материале, и, кроме того, колебания машины, воспринимаемые человеком, являются, как правило, случайными, имеют широкий частотный спектр, сложный по направлению действия. Нормы измерителей ощущений плавности хода, разработанные за последние годы, качественнее отвечают предъявляемым требованиям, но разработка еще далека до завершения. Связь между отдельными измерителями плавности хода машины может быть установлена путем рассмотрения гармонического колебания тела с одной степенью свободы (рис. 14.5) весом (Э , расположенного на пружине, имеющей жесткость с (Н/м).

Рис. 14.5. Колебания тела с одной степенью свободы

При свободном состоянии пружины тело занимало верхнее положение (положение I), а в состоянии равновесия системы пружина под действием силы веса (Э приобрела стаТИЧеСКИЙ прогиб и тело заняло положение П:

ст

Выведем тело из состояния равновесия (положение Ш), сжав пружину и отпустив ее. Тело начнет колебаться в вертикальном направлении. Если колеблющееся тело связать с самописцем, то на бумажной ленте получится кривая колебаний этого тела. На этой ленте можно выделить две характерные величины: амплитуду zтах ' равную наибольшему отклонению тела от положения равновесия, и период Т , равный промежутку времени между ближайшими одинаковыми положениями этого тела (например, крайними верхними).

Для данного случая дифференциальное уравнение колебательного движения

2 + cz = О, решение которого z = zтах dt

где zmax максимальная амплитуда, м; t— время колебания, с.

Величина с / т в уравнении есть угловая частота свободных колебаний о (1/с), следовательно, формулу можно записать так:

z= z sin ot .

тах

Из этого уравнения можно установить следующую зависимость между отдельными измерителями плавности хода при гармоническом колебании: dz скорость колебаний (м/с) = zmaxo cosot • dt

ускорение колебаний (м/с²) — 2 — —zmaxo sinot•, dt d3z скорость нарастания ускорений (м/с³ ) — —zmaxo cosot. dt3

Связь между частотой со (1/с) и числом колебаний в минуту п определяется из выражения п = 60/Т = зоо/т =

Выразив жесткость с через статический прогиб 1ст , а также зная, что под-

ставим их значения в формулу, тогда

Таким образом, чем больше статический прогиб подвески, тем меньше частота собственных колебаний, поэтому применение мягких подвесок приводит к уменьшению частоты собственных колебаний кузова и повышает комфортабельность передвижения в

машине.

При рассмотрении колебаний автомобиля во время движения будем иметь в виду, что подрессоренная часть машины (кузов), как свободное тело в пространстве, обладает шестью степенями свободы и совершает следующие колебательные движения (рис. 15.5):

й)

Рис. 15.5. Упрощенная схема колебательной системы автомобиля и определение приведенной жесткости подвески: а упрощенная схема; б — схема для определения жест-

кости подвески линейные:

вдоль оси z .

подпрыгивание подергивание пошатывание угловые:

вокруг оси у галопирование покачивание

z . виляние (рыскание).

Для упрощения расчетов рассматриваем лишь линейные колебания в вертикальной плоскости вдоль оси z и угловые — вокруг оси у . Буквами с] и с2 на рис. 5.15, а обозначены приведенные жесткости передней и задней подвесок, т. е. жесткости таких упругих элементов, прогиб которых равен суммарным прогибам подвесок и шин, воспринимающих ту же нагрузку. Для определения приведенной жесткости спр рассмотрим расчетную схему на рис. 5.15, б, где изображен груз весом G, установленный на двух упругих элементах: подвеске и шине, жесткость которых равна соответственно сп и с . Под действием силы (Э упругая система деформируется на величину суммарного прогиба подвески и шины:

сум

где Л — прогиб подвески; ш— прогиб шины.

В то же время суммарный прогиб этой системы определяется по изменению положения колеса (м) 1сум следовательно,

пр

Отсюда приведенная жесткость спсш

пр

Сп + С

Жесткость передней или задней подвески современных автомобилей (20 +60 кН/м) значительно ниже жесткости шин (200 +450 кН/м), а масса неподрессоренных частей машины составляет всего 10+ 12 ⁰ 0 от подрессоренной массы. В результате этого частота свободных колебаний неподрессоренной части значительно выше, чем у подрессоренной. По этой причине колебания осей и колес сравнительно мало отражаются на колебаниях кузова и могут не учитываться, что вносит лишь небольшую погрешность в расчет.

Для уменьшения вертикальных колебаний используют мягкую подвеску, а для гашения колебаний устанавливают амортизаторы. Эффективность работы подвески и амортизаторов определяется коэффициентом затухания вертикальных колебаний 11 (1/с): h =ka/m

где К — коэффициент сопротивления амортизатора, характеризуемый в функции от скорости перемещения его движущихся деталей, Н-с/м; т — подрессоренная масса машины, приходящаяся на соответствующее колесо, Н-с [м.

Взаимосвязь коэффициента 11 с жесткостью подвески (частотой собственных колебаний о) учитывается относительным коэффициентом затухания вертикальных колебаний (безразмерный) v=h/o.

У современных автомобилей значения этого коэффициента лежат в пределах

Эффективность затухания вертикальных колебаний характеризуется интенсивностью убывания размахов смежных отклонений А] / А А ' / Аб . от положения равновесия или от отношения амплитуд А] / 142 А / Аз, последовательных периодов колебаний (рис.

Рис. 16.5. Кривая вертикальных затухающих колебаний кузова автомобиля

Отношение, показывающее, во сколько раз уменьшается амплитуда собственных вертикальных колебаний за один период, называется Декрементом вертикальных колебаНИЙ ак. =

У колесных тракторов нет специальной упругой подвески и шины являются единственным упругим элементом, располагающимся непосредственно под осью колеса, поэтому под приведенной жесткостью подвески спр. тр трактора следует понимать жесткость фиктивного упругого элемента, который, будучи расположен непосредственно под осью колеса, прогибался бы на величину 1п под действием нагрузки (Э .