4413

4. ПЛАВНОСТЬ ХОДА АВТОМОБИЛЯ

Перед плавностью хода автомобиля подразумевается его способность к поглощению толчков, ударов и вибраций, возникающих при движении. Плавность хода является важным эксплуатационным качеством, оказывающим влияние на самочувствие пассажиров, сохранность перевозимых грузов, безопасность движения, долговечность машины.

Плавность хода зависит от характера и величины возмущающих сил, вызывающих колебания, от общей компоновки машины и отдельных ее конструктивных особенностей, главным образом от системы подрессоривания, а также от мастерства вождения.

Возмущающие силы могут возникать под действием внутренних и внешних причин. К внутренним причинам относятся неуравновешенность деталей и неравномерность их вращения. Из внешних причин наибольшее значение имеют неровности пути. Под влиянием внутренних причин возникают главным образом высокочастотные колебания – вибрации, влияние которых на пассажиров не столь значительно. Поэтому плавность хода рассматривается с точки зрения воздействия, оказываемого неровностями пути.

4.1. Влияние колебаний и вибраций на человека

При движении автомобиля его кузов испытывает колебания и вибрации, которые организм человека переносит по-разному. Колебания с низкой частотой (до 900…1100кол/мин) воспринимаются человеком как отдельные циклы изменения нагрузки или положения. Колебания более высоких частот воспринимаются слитно и называются вибрациями.

Частота колебаний кузова на рессорах лежит в пределах от 60 до 150кол/мин, частота колебаний осей между рессорами шинами равна 360…900кол/мин. Вибрации двигателя, трансмиссии и кузова происходят с частотой 1000…4200кол/мин.

Организм человека воспринимает вибрации или через их звуковые проявления или непосредственно как силовые воздействия. В автомобиле пассажир изолирован от непосредственного силового воздействия вибраций подушками. Только ноги на полу могут воспринимать эти вибрации, силовые воздействия которых почти полностью устраняются применением упругих ковриков на полу.

Наибольшее влияние на организм человека оказывают колебания кузова. Колебательный процесс характеризуется частотами, амплитудами, скоростью колебания, ускорениями и скоростью изменения ускорений.

Для повышения комфортабельности автомобиля необходимо по возможности уменьшить амплитуду колебаний. При амплитудах колебаний меньших 35…40 мм, амортизационная способность человеческого организма полностью устраняет колебания головы. Большие амплитуды вызывают колебания головы, что приводит к неприятным ощущениям и быстрой усталости.

Частота колебаний более существенно влияет на организм человека. Для установления частот, к которым привык человек, можно подсчитать число колебаний, испытываемых им при ходьбе.

Частоты колебаний современных автомобилей, наиболее совершенных по качеству подвески, лежат в пределах очень близких к этим цифрам. Установлено, что снижение числа колебаний ниже 50 кол/мин часто вызывает у пассажиров явление «морской болезни», а превышение 130 кол/мин – приводит к ощущению резких толчков.

На ощущения человека при колебаниях – его энергетические затраты и нервные нагрузки – могут оказывать существенное влияние разные параметры колебательного процесса, в зависимости от частоты колебаний. При частотах до 4…6 кол/с, в пределы которых полностью укладывается весь низкочастотный диапазон колебаний автомобиля, ощущения в первую очередь пропорциональны ускорениям при колебаниях.

Поэтому для оценки плавности хода автомобилей наиболее распространенным измерителем являются вертикальные ускорения, определяемые в характерных точках колебательной системы.

По величине вертикальных ускорений кузова автомобиля можно также судить о сохранности перевозимого груза. Если ускорение кузова больше g (9,81 м/с2), то незакрепленный груз отрывается от пола и затем падает обратно.

При оценке плавности хода по ускорениям необходимо, кроме величины ускорений, учитывать их повторяемость. Совокупный учет этих факторов соответствует взглядам физиологов на утомление, как на явление, связанное с интенсивностью и частотой внешних раздражителей. Следует отметить также, что при частотах колебаний кузова до 5…6 кол/с на ощущения человека оказывает заметное влияние скорость ускорений, т.е. третья производная перемещений по времени. По данным профессора А.К. Бируля, скорости изменения ускорений до 25 м/с2 вызывают беспокоящие ощущения, а при 40 м/с2 – неприятные ощущения.

Исходя из указанных предпосылок, Я.И. Бронштейном предположена для практической оценки плавности хода автомобиля пятибалльная шкала, в которой соответствующий балл присваивается исходя из

Подресоренная часть автомобиля, как всякое свободное тело в пространстве обладает шестью степенями свободы и может иметь следующие колебательные движения (рис. 26):

Рис.26. Схема колебательной системы автомобиля

Ввиду сложности исследования системы со многими степенями свободы обычно при элементарном анализе плавности хода автомобиля рассматривают только два вида колебаний подрессоренных масс: вертикальные линейные (вдоль оси Z-Z) и угловые продольные (относительно оси y-y). В соответствии с этим в дальнейшем будем рассматривать колебания автомобиля как тела, имеющего две степени свободы. Кроме того, для упрощения выводов не будем учитывать влияние неподрессоренных масс, амортизаторов и эластичности подушек сидений. Расчетная колебательная система примет вид, показанный на рис. 27. Рассмотрение схемы показывает, что колебания автомобиля можно представить в виде колебаний отрезка АВ, проходящего через центр тяжести С автомобиля, причем точки А и В отрезка расположены над опорами передних и задних колес.

Рассмотрим некоторое промежуточное положение отрезка АВ. Пусть отрезок из своего нейтрального положения в результате колебаний переместился в положение А1В1.

Рис.27. Расчетная схема колебательной системы автомобиля

Центр тяжести С отрезка переместился на некоторую величину Z и занял положение С’, а сам отрезок повернулся на угол . Составим уравнение колебаний отрезка АВ.

Снизу вверх на отрезок действуют реакции эластичных элементов равные:

Вточке А - ;

Вточке В -

где G1 и G2 - части веса подрессоренной массы, приходящиеся на переднюю и заднюю подвески; С1 и С2 - приведенные жесткости передней и задней подвески и шин;

Z1 и Z2 - перемещения точек А и В кузова.

В центре масс отрезка АВ действуют силы вниз: сила инерции:

и вес подрессоренных масс G.

Уравнение колебательного движения будет

Это выражение является дифференциальным уравнением вертикальных колебаний автомобиля.

Для составления дифференциальных уравнений угловых колебаний автомобиля рассмотрим моменты сил, которые его нагружают. Момент Мр сил, создаваемых рессорами, стремящийся повернуть автомобиль относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно продольной плоскости симметрии кузова, определим по выражению:

Инерционный момент Ми, сопротивляющийся этому повороту отрезка АВ (кузова автомобиля), равен:

,

где - радиус инерции подрессоренной массы автомобиля относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно плоскости симметрии.

Эти моменты в каждый момент времени равны:

Для анализа колебательных движений автомобиля важным является изучение параметров движения точек А и В. Пользуясь схемой на рис.27, определяем величины перемещений Z1 и Z2 этих точек:

Дифференцируя эти уравнения дважды, получим:

(34)

Для более удобного исследования уравнений (34) величина d2Z/dt2 и d2 /dt2 заменяют параметрами, характеризующими автомобиль. Определяя эти величины из уравнений (31) и (32) и подставляя в выражения (34) получим:

;

.

Определяя из второго уравнения величину Z2 и подставляя ее выражение в первое уравнение, получим:

(35)

И наоборот, из первого уравнения определяя величину Z1 и подставляя ее выражение во второе уравнение, получим:

(36)

По аналогии с уравнением (32) колебательного движения коэффициенты перед перемещениями Z1 и t2 представляют собой квадраты угловых частот колебаний точек А и В автомобиля, Эти угловые частоты 1 и

2 называются парциальными и соответственно равны

(37)

(38)

Тогда

(39)

(40)

Из полученных уравнений следует, что вертикальные колебания точек А и В автомобиля (см. схему на рис. 27) зависят друг от друга. При возбуждении колебаний одной из точек возникают колебания другой точки.

Очевидно, что если колебания одной точки не будут отражаться на колебаниях другой, то колебания автомобиля будут меньше.

Анализ уравнений (38) и (39) показывает, что независимость колебаний точек А и В возможно лишь в том случае, когда в каждое уравнение войдет лишь одна переменная (Z1 или Z2), что возможно при условии:

;

Уравнения колебаний (38) и (39) в этом случае принимают вид:

Частоты колебаний соответственно равны:

Схема колебательной системы автомобиля при условии, когда ав= 2 представлена на рис. 28.

При ав= 2 колебания передней и задней частей автомобиля независимы и происходят относительно точек опоры, соответственно задних и передних колес, а при ав 2 колебания передней части кузова зависят от колебаний задней части кузова и каждое из колебаний происходит вокруг какого-то своего центра колебаний. Эти центры можно определить анализируя колебания кузова при возбуждении их в передней или задней части автомобиля.

Рассмотрим случай возбуждения колебаний передней части кузова (Рис. 29.а).

При сообщении колебаний задней части кузова (рис. 29.б) в какой-то момент времени точка В займет положение В2 а точка А – положение А2. Новое положение отрезка позволит тем же путем определить передний центр колебаний О1.

Результат исследования позволит найти величины L1 и L2, определяющие собой положение переднего О1 и заднего О2 центров колебаний.

Проведѐнный анализ показывает, что колебания кузова автомобиля складываются из двух колебаний, которые происходят вокруг двух различных центров и в общем случае имеют разные частоты.

При конструировании автомобиля представляется возможным получить оба вида колебаний с любыми частотами. Теоретические исследования показывают, что для получения меньших общих колебаний автомобиля необходимо, чтобы эти частоты по возможности совпадали.

4.3. Гашение колебаний автомобиля

Существенное влияние на плавность хода оказывают амортизаторы, устанавливаемые в подвесках автомобиля. Они поглощают значительную часть энергии колебательного процесса, благодаря чему происходит гашение колебаний. Амортизаторы не дают накапливаться колебаниям масс автомобиля при интенсивном воздействии неровностей дороги, это свойство амортизаторов проявляется особенно ощутимо, если неровности являются периодическими с частотой возмущения, приближающейся к зоне резонанса.

Различают работу амортизатора при ходе колеса вверх, когда происходит сжатие упругого элемента подвески (ход сжатия) и работу его при ходе колеса вниз (ход отбоя). В первом случае сопротивление амортизатора и упругого элемента подвески складывается, за счет этого происходит увеличение жесткости подвески.

При ходе отбоя усилие, создаваемое упругим элементом подвески, и сопротивление амортизатора направлены в противоположные стороны, поэтому до определенных пределов сопротивление амортизатора является полезным и способствует гашению колебаний; однако и в этом случае оно должно быть ограничено, так как при равенстве сопротивления амортизатора усилию, создаваемому упругим элементом подвески, произойдет зависание колеса и нормальная работа подвески будет нарушена. У широко применяемых гидравлических амортизаторов двухстороннего действия сопротивление на ходе сжатия в несколько раз меньше, чем на ходе отбоя.

Влияние амортизатора на гашение колебаний определяется не только свойствами самого амортизатора, но зависит также от параметров колебательной системы, в которую он включен. Поэтому для оценки действия амортизатора в подвеске нужны измерители, которые увязывают его характеристику с указанными параметрами.

Одним из таких измерителей является коэффициент затухания вертикальных колебаний h’, определяемый по формуле:

(41)

где Ка - коэффициент сопротивления амортизатора, Н.с/м, характеризуемый в функции от перемещения его движущихся деталей;

mк - подрессоренная масса, Н.с2/м, проходящая на соответствующее колесо.

Чтобы учесть взаимосвязь коэффициента затухания вертикальных колебаний с жесткостью подвески (частотой собственных колебаний), применяется безразмерный измеритель.

(42)

которой называются относительным коэффициентом затухания вертикальных колебаний. У современных автомобилей значения этого коэффициента лежат в пределах ’=0,15…0.3.

Эффективность затухания колебаний может характеризоваться интенсивностью убывания размахов смежных отклонений А1/А’1; А’1/А1… от положения равновесия (рис. 30) или отношением амплитуд А1/А2; А2/А3… последовательных периодов колебаний. Отношение Dk=A1/A2, показывающее, во сколько раз

уменьшается амплитуда собственных вертикальных колебаний за один период, называется декрементом вертикальных колебаний.

Рис.30. Кривая затухающих колебаний кузова автомобиля

Когда Dк=1, колебания являются незатухающими – таких колебаний в чистом виде не бывает. Когда

Вывод: у автомобилей жесткость шин во много раз больше жесткости подвески.

Пример 2.

На легковом автомобиле установлены для гашения колебаний кузова гидравлические амортизаторы двухстороннего действия.

Требуется оценить эффективность гашения ими собственных вертикальных колебаний задней подвески кузова.

Исходные данные.

Приведенные к колесу коэффициенты сопротивления амортизаторов:

Вес подрессоренных масс, приходящихся на одно заднее колесо, Gk=4000Н. Частота собственных вертикальных колебаний задней подвески n2=80 кол/мин.

Определяем среднее значение приведѐнного коэффициента сопротивления амортизаторов:

Н с/см; Согласно уравнению (41), коэффициент затухания вертикальных колебаний

Находим величину относительного коэффициента затухания собственных вертикальных колебаний по уравнению (42):

.

Полученные значения h’ и ’ находятся в рекомендуемых приделах. Соответственно по уравнению (43) логарифмический декремент вертикальных колебаний

Декремент DK показывает, во сколько раз уменьшается амплитуда собственных вертикальных колебаний за период. Таким образом, установленные на автомобиле амортизаторы с принятыми параметрами обеспечивают достаточно быстрое затухание колебаний кузова.