книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

спмости от припципа попорота автомобиля они могут иметь раму, ломающуюся относительно поперечной горизонтальной оси, попе­ речной и продольной горизонтальных осей, продольной и верти­ кальной осей или относительно всех трех осей.

Автомобили с гусеничным движителем выпускают уже более

50 лет, но за это время их конструкция не претерпела больших изменений. От колесных автомобилей они отличаются типом дви­ жителя. Гусеницы (бесконечные цепи) являются как бы рельсами, укладываемыми перед автомобилем и подбираемыми сзади. Колеса гусеничных движителей (опорные катки) воздействуют на грунт через траки гусеницы. Так как площадь контакта у гусеничного автомобиля в 3 —5 раз, а длина опорной поверхности 2,2—2,4 раза больше, чем у колесных автомобилей, то проходимость гусе­ ничных автомобилей лучше. При прочих равных условиях колеса пробуксовывают значительно чаще гусениц, так как их пробук­ совка зависит от длины области контакта шины с грунтом. Основ­ ным недостатком гусеничного движителя по сравнению с колесным являются большие внутренние потери в движителе. В настоящее время созданы конструкции легких гусениц (ленточных, пневма­ тических, с разнесенными траками), которые обеспечивают рабо­ тоспособность, повышенную надежность и большой срок службы гусеничного движителя в тяжелых дорожных условиях.

Гусеничный автомобиль поворачивается под действием пово­ рачивающего момента, возникающего в результате создания раз­ личных по величине сил тяги на левой и правой гусеницах.

Автомобили ограниченной проходимости (общего назначения) могут преодолевать неглубокие броды (0,5—0,6 м) с твердым дном. Гдубнна брода, преодолеваемого ими, зависит от высоты располо­ жения отдельных частей двигателя, которые не могут находиться в воде (воздушный фильтр и фильтр системы вентиляции картера, свечи и распределитель зажигания).

Для преодоления широких и глубоких водных преград строят

специальные плавающие автомобили (амфибии), которые обычно изготовляют на базе колесных автомобилей типа 4 X 4 или 6 x 6 .

Кузов плавающего автомобиля изготовляют в виде герметич­ ной плоскодонной лодки. На автомобиль устанавливают гребной винт, лодочный руль и водооткачивающую систему.

Условие плавания соблюдается, если погруженная ч,асть пла­ вающего ■автомобиля вытесняет объем воды, вес которой равен весу автомобиля. Так как при преодолении водной преграды воз­ можно попадание в кузов автомобиля забортной воды, то должен быть предусмотрен некоторый запас плавучести. Полный запас плавучести соответствует части объема водонепроницаемого ку­ зова, расположенной выше ватерлинии.

Для того чтобы автомобиль находился в воде в равновесии, необходимо соблюдение двух условий. Во-первых, сила тяжести автомобиля (направлена вниз) и сила плавучести (направлена вверх) должны быть равны между собой. Если сила плавучести

250

меньше или больше силы тяжести, то автомобиль соответственно погружается или всплывает настолько, чтобы сохранилось равен­ ство этих сил! Во-вторых, сила тяжести и сила плавучести должны действовать по одной вертикальной линии, т. е. на ней должны быть расположены центр тяжести и центр величины (точка при­ ложения силы плавучести). Если это условие не соблюдено, то равиовосие нарушается, и возникает момент, который стремится изменить положение автомобиля.

Плавающий автомобиль должен иметь остойчивость на воде. Это означает, что если автомобиль.выведен внешними силами из положения равновесия, то после прекращения их действия он должен самостоятельно возвратиться в первоначальное положение.

При наклоне автомобиля положение его цептра тяжести не изме­ няется, а центр величины, наоборот, смещается. Если центр вели­ чины расположен выше центра тяжести, то при наклоне автомо­ биля возникает восстанавливающий момент, так как центр вели­ чины в этом случае смещается относительно центра тяжести в сторонунаклона. В результате этого автомобиль под действием момента поворачивается в сторону, обратную наклону, до тех пор, пока центр величины не будет находиться на одной вертикальной линии с центром тяжести. Если же центр величины расположен ниже центра тяжести, то при наклоне автомобиля возникает момент обратного направления, так как центр величины смещается в сто­ рону, противоположную наклону, вследствие чего наклон автомо­ биля начнет увеличиваться. Таким образом, для обеспечения остойчивости плавающего автомобиля необходимо, чтобы центр величины находился выше центра тяжести.

Наклоны у плавающего автомобиля могут быть как относительно . его продольной оси (крен), так и относительно поперечной оси (дифферент). В связи с этим различают продольную и поперечную ■остойчивость. Наибольшее практическое значение имеет попереч­ ная остойчивость.

Для сохранения остойчивости относительно поперечной оси задняя часть автомобиля должна быть погружена в воду несколько глубже .передней части. Такой «дифферент на корму», составля­ ющий 5—8°, предохраняет от погружения переднюю часть автомо­ биля при захлестывании ее встречной волной. «Дифферент на нос» недопустим, так как он сильно снижает скорость автомобиля, вынуждая его «зарываться» передней частью и тяжело подниматься на волну. Максимальный угол допустимого крена у современных плавающих автомобилей находится в пределах 17—20°.

При движении автомобиля по воде скорость его значительно уменьшается по сравненшо со скоростью на дороге с твердым по­ крытием, так как вода оказывает значительное сопротивление. У современных плавающих автомобилей скорость движения по воде составляет 2,5—4 м/с.

Одним из ответственных моментов работы плавающих автомо­ билей являются въезд в воду и выезд из нее. При въезде в воду

251

Глава XVI

ПЛАВНОСТЬ ХОДА АВТОМОБИЛЯ

§ I. ПОНЯТИЕ О ПЛАВНОСТИ ХОДА АВТОМОБИЛЯ

В результате длительного воздействия колебаний кузова, возни­ кающих при движении автомобиля, пассажиры и водитель сильно утомляются, у них появляются головокружения и другие неже­ лательные ощущения, что наносит ущерб здоровью, а также сни­ жает производительность труда водителя. Колебания кузова отра­ жаются также на сохранности перевозимого груза и самого авто­ мобиля, Поэтому одним из основных требований, предъявляемых

ксовременному автомобилю, является повышение плавности хода

иулучшение комфортабельности (удобства) езды.

Основной причиной колебаний автомобиля являются неров­ ности дороги, которые могут иметь различные размеры и очертания даже на дорогах с цемеито- и асфальтобетонным покрытиями. Неровности могут быть двух видов: микронеровности (высота 3—5 мм и длина 8—10 мм) и волны (высота 10—12 мм, длина 5—

8м).

-На дорогах с интенсивным движением транспортных средств

волны обычно образуются через 1—2 года после постройки дороги, что может явиться причиной ухудшения плавности хода автомо­ билей.

§ 2. ИСПЫТАНИЕ АВТОМОБИЛЯ НА ПЛАВНОСТЬ ХОДА

Экспериментальное исследование плавности хода автомобиля производят путем лабораторных и дорожных испытаний его раз­ личными методами. Кроме общей оценки плавности хода, при испы­ таниях исследуют также влияние на нее таких факторов, как ампли­ туда, скорость й ускорение колебаний, частота колебаний подрес­ соренных и иеподрессорениых масс и др.

При лабораторных испытаниях автомобиля на плавность хода колебания возбуждают следующими способами:

подтягиванием и последующим быстрым опусканием кузова или осей автомобиля с одновременным или неодновременным отпу­ сканием подтягивающих муфт;

подъемом автомобиля с помощью специальных площадок на высоту 50—60 мм и быстрым опусканием, т. е. сбрасыванием его (два первых способа используют при изучении частот колебаний

253

п характера гашения их, а также для определения центров коле­ баний автомобиля);

установкой колес автомобиля на вращающиеся барабаны стенда, имеющие выступы или эксцентрицитет (барабаны могут быть рас­ положены под передними пли задними колесами, или под всеми колесами автомобиля; в первом случае возникают колебания кузова на одной из подвесок, а во втором — связанные колебания на перед­ ней и задней подвесках);

периодическими колебаниями площадок, на которые устанав­ ливают автомобиль;

установкой колес автомобиля на движущиеся бесконечные лен­ ты с перовиостямп.

При испытаниях на стендах используют неровности высотой 50 мм и длиной 250, 500 и 1000 мм, которые по своему профилю похожи на характерные дорожные неровности. Кроме того, приме­ няют также короткие неровности длиной 120 мм и высотой 25, 35 п 50 мм, соответствующие, например, булыжному и другим покры­ тиям дороги. При лабораторном исследовании колебаний автомо­ биля записи колебаний кузова, колес п пассажиров на сиденьях производят с помощью самописца или светолучевого осциллографа. Одновременно на ленту самописца или осциллографа наносят от­ метки времени. С помощью тахометра определяют угловую ско­ рость барабанов, по которой подсчитывают скорость автомобиля.

В результате обработки экспериментальных данных, получен­ ных во время лабораторных испытаний, определяют частоту коле­ баний подрессоренных и неподрессоренных масс, а также амплиту­ ду, скорость и ускорения колебаний и другие параметры.

Чтобы в условиях дорожных испытаний получить для различ­ ных автомобилей сравнимые результаты, колебания возбуждают путем проезда по искусственным неровностям определенного про­ филя, уложеппым на ровной дороге (по две неровности для левых и правых колес). Неровности проезжают с различными скоростями, начиная со скорости 1,4—2,8 м/с, причем каждая последующая скорость должна быть больше предыдущей па 1,4 м/с. При дорож­ ных испытаниях обычно используют неровности, имеющие сину­ соидальный продольный профиль. На дорогу укладывают длин­ ные (2,5—3,5 м) и короткие (0,8—1,2 м) неровности. Время проезда со скоростью 5,5—11 м/с длинных неровностей равно периоду низкочастотных колебаний, а коротких неровностей — периоду высокочастотных.

Испытания различных автомобилей одного класса необходимо проводить на неровностях, имеющих одинаковые длину и высоту. Для грузовых автомобилей длина неровностей должна быть равна 0,8 и 3 м. При испытании автомобилей с. жесткой или мягкой под­ веской высоту неровиоетш принимают равной соответственно 40 или 80 мм. Во время испытаний записывают абсолютные переме­ щения кузова и неподрессоренных масс, т. е. перемещения масс, колеблющихся относительно дороги.

254

Обработав результаты испытаний, определяют наибольшие от­ клонения исследуемых точек кузова от нулевой линии за первый период колебаний и частоту его колебаний. Деформацию упругого элемента подвески определяют по расстоянию между кривыми колебаний оси и кузова. Кроме того, находят также частоту коле­ баний неподрессореиных масс.

Угловые колебания кузова находят по вертикальным переме­ щениям его точек, расположенных над передней и задней осями.

Во время испытаний па плавность хода скорость автомобиля должна быть постоянной. Измерение, скорости с помощью спидо­ метра приводит к ошибкам в ее определении, доходящим до 10— 30%. Повысить точность измерения'небольших скоростей автомо­ биля можно, если определять их величину тахометром. Однако

Рис. ИЗ. Определение момента инерции подрессо­ ренных масс

наиболее точно среднюю скорость автомобиля определяют по от­ меткам времени, которые наносят на фотопленку или ленту реги­ стратора с помощью электроконтактных часов. Зная длину участка дороги и время движения, можно найти среднюю скорость авто­ мобиля.

Значения ускорения при колебаниях определяют по записям, наносимым на ленту с помощью акселлерографа.

При исследовании плавности хода автомобиля и расчете под­ вески необходимо знать момент инерции 1К подрессоренных масс (кузова) относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести и перпендикулярной к продольной оси автомобиля. Наиболее простой способ определения величины / к состоит в том, что автомобиль раскачивают вокруг одной из его осей. Для этого передние или задние колеса, упругие элементы подвески которых заклинены, а давление в шинах повышено до максимально допусти­ мого, устанавливают в призмы, как показано на рис. 113. Другую ось вместе с подвеской удаляют и заменяют пружинами. Раска­ чивая переднюю часть автомобиля, возбуждают колебания, час­ тоту которых определяют с помощью секундомера или по записи

255

колебаний специальным прибором — вибрографом. Момент инер­ ции подрессоренных масс автомобиля I относительно оси качения Ог определяют по формуле (в II-м -с2)

относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести О и перпендикулярной к продольной оси автомобиля, определяют по формуле

1 к — 1 1 — Л) к ^ й )

где тк — масса подрессоренных частей (кузова) автомобиля в кг; R0 — расстояние от центра тяжести О подрессоренных масс

до оси качания 0 1 (см. рис. 113) в м.

Влияние амортизаторов на плавность хода исследуют на спе­ циальных стендах, на которых определяют значения сил сопро­ тивлений при различных частотах и амплитудах колебаний, а также при разных давлениях и температурах жидкости.

§ 3. ИЗМЕРИТЕЛИ ПЛАВНОСТИ ХОДА АВТОМОБИЛЯ

Воздействие колебательных движений автомобиля на организм человека оценивают субъективно. До сих пор еще не предложен единый параметр для оценки плавности хода, с помощью которого можно было бы установить количественную связь между физиологи­ ческими воздействиями колебаний па организм человека, характе­ ром этих колебаний н конструктивными особенностями автомо­ биля. Поэтому плавность хода оценивают с помощью нескольких измерителей, приведенных ниже.

Период-колебаний Т представляет собой время в секундах, в те­ чение которого кузов совершает полное колебательное движение. Частота колебаний п = 1/Т в Гц, т. е. число колебаний (цик­ лов) в секунду.

Амплитуда колебаний zmax, т. е. наибольшее отклонение (пере­ мещение) кузова от положения равновесия, в м.

Скорость колебаний, равная первой производной перемещения по времени, в м/с.

Ускорение колебаний, равное второй производной перемещения по времени пли первой производной скорости колебаний по вре­ мени, в м/с2.

Скорость нарастания ускорений колебаний, равная третьей производной перемещения по времени или первой производной ускорения колебаний по времени, в м/с8.

256

Опытным путем установлено, что колебания автомобиля можно разделить на высокочастотные (5—13 Гц) и низкочастотные

(0,8—2 Гц). G высокой частотой в основном колеблются иеподрессоренные, а с низкой — подрессоренные массы (кузов).

Высокочастотные колебания, происходящие даже с малыми амплитудами (тряска, вибрация), вызывают неприятные ощуще­ ния. Однако и низкочастотные колебания тоже неприятны, так нак­ опи могут вызвать явление, похожее на морскую болезнь. Человек не ощущает колебаний, возникающих при ходьбе, так как еще с детства привык к их частоте, которая находится в пределах 1,17 — 1,66 Гц. Следует отметить, что и у современных легковых автомо­ билей частота колебаний'кузова находится приблизительно в тех же пределах (1—1,3 Гц).

Изменение частоты колебаний оказывает большее влияние на организм человека, чем изменение амплитуды. Поэтому прп оценке сильно ощутимых колебаний степенной показатель частоты коле­ баний больше, чем у их амплитуды. Так, например, совместное влияние амплитуды zmax и частоты колебаний п характеризуют параметром, равным произведению zmaxnfe. Величина показателя к в зависимости от интенсивности колебаний находится в пределах 1,5—2,7. При показателе к = 2,7 и амплитуде zmax = 0,0065 м допустимая величина параметра получается при частоте п = 3 Гц.

С увеличением скорости колебаний плавность хода автомобиля ухудшается. Ниже приведена характеристика колебаний в зави­ симости от их скорости (в м/с):

Влияние знакопеременных ускорений на организм человека в большей степени зависит от частоты колебаний. С увеличением частоты даже небольшие ускорения колебаний могут вызвать неприятные или болезненные ощущения (табл. 12).

При частотах, с которыми колеблется кузов автомобиля, наи­ большее влияние на плавность хода оказывает скорость изменения

ускорений.Беспокоящие ощущения возникают прп25 м/с8, а непри­ ятные — при 40 м/с3. Таким образом, скорость нарастания ускоре­ ний не должна превышать 25 м/с3.

В табл. 13 приведены предельно допустимые значения уско­ рений для здоровых мужчин среднего возраста.

Немецким обществом инженеров предложена нормаль, по кото­ рой показателем, оценивающим ощущения, служит ускорение при колебаниях большой амплитуды и частоты 0,5—5 Гц и скорость при колебаниях малой амплитуды и частоты 15—80 Гц.

Установим связь между отдельными измерителями плавности хода автомобиля. С этой целью рассмотрим гармонические коле­ бания тела весом G (рис. 114) с одпой степенью свободы, которое расположено на пружине, имеющей

жесткость с (Н/м).

Если пружина находится в сво­ бодном состоянии, то тело запимает положение I. При равновесии си­ стемы возникает статическая дефор­ мация пружины под действием силы тяжести G, вследствие чего тело за­ нимает положение II, причем

тело начнет колебаться, перемещаясь вверх и вниз. Если с этим телом связать самопишущий прибор и протягивать с постоянной скоростью бумажную ленту, как показано на рис. 114, то на ней будет записана кривая колебаний тела. На полученной кривой отметим амплитуду zmax, равную наибольшему отклонению тела от положения равновесия, п период Т, равный промежутку вре­ мени, который соответствует двум ближайшим одинаковым поло­ жениям тела (например, крайним верхним).

Во время колебаний тело движется неравномерно, причем одно­ временно изменяются его положение, скорость, ускорение и нара­ стание ускорений. Характер кривых перемещения, скорости и ускорения примерно одинаковый.

Дифференциальное уравнение колебательного движения для данного случая имеет вид

258

Величина в уравнении (282) представляет собой угловую

частоту свободных колебаний со. Следовательно, уравнение (282) можно написать в следующем виде:

Z — ^шах S in СОi t

Из последнего уравнения найдем зависимости, связывающие между собой отдельные измерители плавности хода при гармони­ ческом колебании:

скорость колебаний (в м/с)

Частоту со и частоту колебаний п связывает между собой равен­ ство:

_ 1 _ со _ 1_ I

п ~ Т ~ 2я ~ 2п У m ‘

Подставляя в это выражение значение жесткости с из выражения (281), а также выразив массу тп через Gig, получим

Таким образом, чем больше статическая деформация (прогиб) подвески, тем меньше частота собственных колебаний. Поэтому, используя мягкие подвески, уменьшают частоты собственных коле­ баний кузова и повышают комфортабельность езды в автомобиле.

§ 4. КОЛЕБАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Упрощенная схема колебательной системы автомобиля показана на рис. 115, а, на котором буквами сх и с2 обозначены приведенные жесткости передней и задней подвесок. Приведенной жесткостью подвески называют жесткость такого упругого элемента, прогиб которого равен суммарному прогибу подвески и шин, восприни­ мающих ту же нагрузку. Для определения приведенной жесткости на рис. 115, б изображен груз весом G, установленный на упругом элементе подвески и шине, жесткости которых соответственно равны сп и сш.

Под действием веса G упругая система деформируется на вели­ чину, равную сумме прогибов упругого элемента подвески и