книги из ГПНТБ / Малиновский, Е. Ю. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой (колебания и устойчивость движения)

оценки уровня колебаний машины на стадии ее проектирова­ ния, целесообразно в ближайшее время регламентировать их (например, в рамкам ГОСТа). Такая регламентация позволит производить сопоставимые сравнения колебаний различных ма­ шин и сделает возможным сопоставлять уровень колебаний с паспортной скоростью машины.

При динамическом расчете системы нас, как обычно, будет интересовать математическая модель дороги. Ясно, что в том случае, если предполагается численный расчет системы, то ма­ тематической моделью дороги будет выражение (ИЗ). Если же исследуется математическая модель системы с помощью АВМ, то задача отработки сигнала, эквивалентного возмущению, действующему на машину со стороны дороги, может быть вы­ полнена с использованием генератора белого шума и некото­ рого набора фильтров. Рассмотрим эту задачу подробнее.

Генератор белого шума (например, типа ГШ-1) обычно ха­ рактеризуется некоторым постоянным значением Афш спектраль­ ной функции в заданной полосе частот Асо. Ширина полосы Асо оговаривается в паспорте генератора. У разных экземпляров прибора величина NTm может сильно отличаться, поэтому чаще всего приходится тарировать источник шума, определяя любым доступным способом дисперсию выходного сигнала DTUl. Зная эту величину, можно в соответствии с формулой (ПО) опре­ делить

Дсо

Предположим, что мы ограничимся синтезированием сигна­ ла, спектр которого будет задан функцией

(сю)2 + ой

Для построения фильтра, преобразующего белый шум в сиг­ нал с таким спектральным составом, удобно воспользоваться простым апериодическим звеном, характеризующимся коэффи­ циентом усиления k и постоянной времени Т. Для такого звена

70

Формула (119) определяет параметры простейшего фильтра. Из анализа ее, в частности, следует, что простым апериодиче­ ским звеном можно ограничиться только в том случае, если принять, что скорость движения машины постоянна. В другом случае фильтр должен иметь переменные параметры, изменяю­ щиеся в функции V.

Подобные схемы, а также схемы формирования возмущаю­ щего воздействия для более сложных случаев (наличие перио­ дической составляющей и взаимной связи микропрофилей пра­ вой и левой колеи) рассмотрены в работах кафедры теоретиче­ ской механики МАДИ [31].

4. ЧЕЛОВЕК В СИСТЕМЕ МАШИНА — ДОРОГА

Рассмотрим возможности человека, связанные с восприятием низкочастотных непериодических колебаний. Большинство ис­ следователей придерживается мнения, что в интересующей нас области частот, определяемых движением колесной машины, уровень колебаний, воспринимаемых человеком, может опре­ деляться среднеквадратичной величиной о у ускорений тела

человека. Эта величина обычно измеряется в долях g — уско­ рения свободного падения и фиксируется прибором в точках контакта тела человека с рабочими поверхностями. Всякий по­ верочный расчет колебаний машины должен заканчиваться

определением величины сг-у, которая должна быть сравнена с соответствующими допустимыми значениями [ау]. При выпол­ нении проектного расчета машины величиной [ay] необходимо задаться.

Отметим, что до настоящего времени официальных нормати­ вов для задания [а у ] не существовало. Даже в практике авто­ мобилестроения известные значения [ay ] сильно различались

между собой. Приводимые в этом параграфе данные могут служить исходными для расчетов и сравнений.

Принято считать, что машина обладает удовлетворительны­ ми качествами по плавности хода, если колебания ее не вызы-

71

вают чрезмерного утомления оператора, заставляющего его прерывать работу для отдыха в течение смены, а длительная работа на машине не вызывает необратимых физиологических изменений в организме. Если машина имеет такие свойства, то можно принять, что по уровню колебаний она удовлетворяет значению [оу]. Чтобы исключить элемент субъективизма в

•определении [сту], требуются длительные и всесторонние наблю­

дения с привлечением средств медицинского контроля состоя­ ния человека.

Опросы показывают, что трактористы, скреперисты и буль­ дозеристы чаще, чем рабочие других специальностей, страдают заболеваниями желудка, позвоночника, а также расстройствами других функций организма. Повышенная усталость после рабо­ ты и отсутствие аппетита обычно связывают с воздействием «тряски».

Человек, как известно, не имеет специального органа ощу­ щения колебаний, поэтому действующие колебания человек определяет комплексом психофизиологических сигналов, фор­ мируемых вестибулярным аппаратом, зрением, кожными рецеп­ торами. Человеческий организм в разной степени реагирует на такие параметры колебаний, как амплитуда, скорость, ускоре­ ние и скорость нарастания ускорения колебаний. Особенно важ­ ной оказывается связь этих параметров с действующей ча­ стотой.

X. Гирке [5], изучивший упругие свойства тела человека, построил его биодинамическую модель (рис. 26). Эта модель учитывает распределение масс тела человека (голова 1, верх­ ний плечевой пояс 2, тазовая область 5, колени и ступни 6, 7) и соответствующие упругие свойства позвоночного столба 4 и

-диафрагмы 3. Однако сравнение испытаний манекена, постро­ енного в соответствии с этой моделью, и человека показали су­ щественно несопоставимые результаты, особенно в области ча­

стот выше 6—8 Гц. Уточненные экспериментальные исследова­ ния позволили выявить следующее (рис. 27). При возбуждении (колебании) в области частот 0—4 Гц тело человека ведет себя как некоторая единая масса; в области частот 4—8 Гц в теле человека проявляются различные резонансные явления, в основном связанные с интенсивными относительными колеба­ ниями верхнего плечевого пояса и таза, на частотах выше 8 Гц — человек уже с определенными затратами энергии спосо­ бен активно противодействовать возмущениям.

Тот факт, что при частотах 0—4 Гц тело человека не возбуж­ дает резонансных колебаний, не свидетельствует о том, что че­ ловек безразличен к ним, ибо они в полной мере восприни­ маются вестибулярным аппаратом, зрением и т. д. Однако от­ сюда следует, что если в интересующем нас колебательном про­ цессе основная энергия приходится на область низких частот

72

(до 4 Гц), то в расчетной схеме человека на сиденьи можнорассматривать в виде одной сосредоточенной массы. В другом случае эквивалентная расчетная схема человека будет более сложной.

Как уже упоминалось, большинство исследователей считает, что в полосе частот 0—8 Гц в качестве критерия оценки уровня следует принимать среднеквадратичное ускорение как для ста-

ционарных колебаний, так и для колебаний, носящих случай­ ный характер.

В качестве примера определения абсолютной величины до­ пускаемых ускорений в полосе частот 0—30 Гц можно привести результаты испытаний, проведенных с военнослужащими бро­ нетанковых войск [38]. Суть испытания состояла в следующем. Испытуемые (мужчины в возрасте 21—50 лет) находились на сиденьи, установленном на вибрирующей платформе; задава­ лась определенная частота вибрации платформы, амплитуда по­ степенно повышалась. Испытуемый давал команду прекратить увеличение амплитуды, когда колебания становились ощутимо неудобными, мешали вести наблюдения и управление.

Результаты совокупности экспериментов изображены на рис. 28. На графике заштрихована полоса, соответствующая ин­ тервалу 90% достоверности для значений о у . Видно, чтооу в

полосе частот от 1 до 5—7 Гц равно примерно 0,3 g. Обобщенные результаты по данным многих исследователей

показаны на рис. 29 [34]. В интересующей нас полосе частот, соответствующей движению колесной машины, уровень колеба­ ний, беспокоящих человека, вновь приближается к значению

0,2-0,3 g.

73

Представляют интерес рекомендации ISO (табл. 5) на нор­ мируемые уровни механических колебаний тела человека, где предлагается рассматривать колебания в полосе частот 1—90 Гц и при этом оценивать по трем основным уровням, обеспечиваю­ щим: 1) производительную работу; 2) безопасность для здоровья; 3) комфорт. В табл. 5 приведены ускорения в вертикальном направлении для полос частот 1—90 Гц при действии в тече­ ние 8-часового рабочего дня, а также коэффициенты веса для приведения уровней вибрации к наиболее чувствительной полосе частот (4—8 Гц). Указанные уровни ускорений соответствуют

ления ускорений, обеспечивающих безопасность для здоровья,

для полосы частот 4—8 Гц предельные значения уровня сред­ неквадратичного ускорения составляют: для обеспечения произ­ водительности выполняемой работы 0,315 м/с2; для безопасности здоровья человека 0,63 м/с2; для обеспечения комфорта 0,1 м/с2. Указанные значения представляются очень жесткими и прак­ тически невыполнимыми. Однако необходимо помнить что дан­ ные уровни соответствуют только одной расчетной полосе ча­ стот, если же рассматривать всю полосу частот от 1 до 90 Гц с учетом весовых коэффициентов, то суммарные уровни средне­ квадратичных ускорений будут составлять соответственно 2,5; 5,0 и 0,7 м/с2.

Значительный интерес представляют материалы нормали VDI-2057 «Исследования восприятий механических колебаний организмом человека» (табл. 6), разработанные Обществом немецких инженеров. В разработке этой нормали принимали участие известные специалисты-медики и механики. Авторы нормали попытались соединить воедино как объективные зна-

74

чения параметров колебаний, так и субъективную оценку по восприятию человеком. Для оценки восприятия предложен тер­ мин «интенсивность восприятия» /Синт:

ставление результатов с табл. 6 VDI показывают, что все полу­ ченные значения /Синт приемлемы и соответствуют режиму дли­ тельной поездки на транспорте.

Киевский институт гигиены труда и профзаболеваний реко­ мендует предельно допустимые значения колебаний в интере-

75

сующей нас области частот определять по значениям средне­ квадратичной величины виброскоростей [оу]. Рекомендуемые

значения [аг] приведены в табл. 7, где данные указаны из рас­

неквадратичным ускорениям, действующим в вертикальной плоскости, уменьшить в 1,41 раза.

Наличие определенной связи между вертикальными, попе­ речными и угловыми колебаниями позволяет оценить колеба­ ния, действующие на человека, величиной суммарного эффек­

35]. Так, рекомендуется считать, что автомобиль удовлетворяет условиям комфорта, если средние значения максимумов уско­ рений в кузове составляют ±0,25 g (это означаетсгу «0,15 g),

и полагают, что пределом для удобной езды следует считать среднее значение максимумов амплитуд ±0,75 g (что состав­ ляет а у «0,47 g).

Итак, возможные значения [а у] имеют достаточно боль­ шие различия. Тем не менее, во всех случаях, когда в качестве

76

критерия для назначения [сг -] принимаются требования гигие­

ны труда, гарантирующие невозможность появления необрати­ мых изменений в организме при длительном (ежедневном и многолетнем) воздействии колебаний, достижение необходимой величины [а * ] ставит конструктора перед серьезными труд­ ностями.

Попутно отметим, что на тяжелой землеройно-транспортной машине колебания являются далеко не единственной помехой в работе водителя. Шум, температура (чаще всего повышенная), запыленность и загазованность воздуха мешают работе и нано­ сят ущерб здоровью человека. Научно-обоснованных данных, оценивающих совокупное воздействие указанных факторов, по­ ка не существует.

5. КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРЫ ПО СНИЖ ЕНИЮ

УРОВНЯ КОЛЕБАНИЙ

Результаты экспериментов показывают, что если не прини­

включает в себя специальных демпфирующих элементов. Сни­ зить уровень колебаний машины можно двумя путями:

1) для шарнирной машины с бесподвесочной расчетной схе­ мой использовать шины с увеличенными демпфирующими свой­ ствами;

2) изыскать новые расчетные схемы. В этом случае пы­ таться:

а) реализовать автомобильную систему подвески с введе­ нием системы амортизации;

б) амортизировать только рабочее место водителя; в) изыскивать возможность перехода на многомассовые

расчетные схемы с использованием специфических особенностей машины с шарнирно-сочлененной схемой.

Рассмотрим некоторые решения.

Применение специальных шин. Для конструктора машино­ строителя использование особой шины представляется идеаль­ ным решением. Однако для шинников задача создания подоб­ ной шины больших размеров с повышенными демпфирующими возможностями оказывается чрезвычайно трудной и практиче­ ски до сих пор нерешенной. Известные попытки встраивания в шину гидравлических демпферов не имели успеха из-за труд­ ностей, связанных с отводом тепла. Поэтому в некоторых слу­ чаях оказывается эффективным компромиссное решение, когда мощный гидравлический демпфер устанавливают параллельно с шиной. Решение такого рода, применяемое фирмой Ле-Турно, известно, под названием «Тележка Долли», представляющей со­ бой съемное устройство, включающее в себя небольшое колесо.

77

почти не несущее вертикальной нагрузки, мягкую пружину и мощный гидравлический демпфер. Разумеется, такое устрой­ ство не может быть применено при работе в карьере в усло­ виях маневрирования и бездорожья и используется только как временное при перегонах машины по дорогам удовлетворитель­

ного качества.

Использование подвесок автомобильного типа. Анализ кон­ струкций зарубежных шарнирных машин показывает, что, как правило, на них не применяются элементы подвески автомо­

бильного типа.

При введении «автомобильной подвески» для переднего мо­ ста шарнирной машины:

а) значительно усложняется и утяжеляется конструкция, в результате чего не удается получить удовлетворительного соот­ ношения неподрессоренных и подрессоренных масс; это обстоя­ тельство оказывается решающим при использовании индивиду­ ального привода колес;

б) ухудшается устойчивость короткобазовых машин с шар­ ниром складывания, расположенным в середине базы (погруз­ чиков) ;

в) затрудняется при копании управление ковшом землерой­ но-транспортной машины.

Однако опыт Белорусского и Могилевского автомобильных заводов показал, что некоторые из этих опасений не подтвер­ ждаются. Испытаниями скреперов Д-392 на базе БелАЗ-531 и Д-357П на базе МоАЗ-546 установлена полная работоспособ­ ность машин с подрессоренным передним мостом, причем уро­ вень колебаний на корпусе машины уменьшился почти в 2 раза по сравнению с обычной схемой.

Ведущий мост тягача БелАЗ-531 подвешен к раме при по­

Конструкция подвески, разработанная Могилевским автомо­ бильным заводом, проста в исполнении и представляет собой зависимую подвеску на листовых полуэллиптических рессорах с гидравлическими амортизаторами. Она сочетает все необхо­ димые преимущества подвесок: упругость, направленность ко­ лебаний и соответствующее гашение.

Локальная защита рабочего места водителя. Кресло води­ теля чаще всего располагают вблизи передней оси машины и смещают относительно продольной плоскости. Но такое рас­ положение не является наилучшим. Обратимся к расчетной схе­

дольной оси машины до точки крепления кресла водителя; хв —

78

т. е. при расположении водителя в плоскости симметрии маши­ ны на него действует возмущение, среднеквадратичное значение

которого в \ ) У 2 раза меньше соответствующего значения уско­ рения над каждым из колес.

Если вывод уравнений (121) — (123) повто­ рить, полагая, что Х\ и х2 соответствуют переме­ щениям середины передней и задней осей ма­ шины, то выражение (122) определит дисперсию амплитуд колебаний точки хв через D ь D2— дис­ персии колебаний середин передней и задней осей. Таким образом, зона предпочтительного места установки кресла водителя находится в продольной осевой плоскости машины в середине ее базы или несколько сдвинута вперед (D{ для порожней машины несколько меньше D2).

Подрессоривание рабочего места водителя.

Основные выводы исследований по изучению подрессоривающих свойств сидений сводятся к следующему:

1) сиденье должно иметь только вертикаль­ ное движение (параллелограммное устройство);

2) статический прогиб сиденья при посадке человека не должен превышать 70 мм;

3) для улучшения демпфирующих свойств сиденье должно иметь амортизаторы.

Для улучшения спектра действующих ускорений собственная частота человека на сиденьи должна быть в 1,5—2,0 раза ниже собственной частоты колебаний точки крепления кресла. Удов­

79