Характеристики колебаний в зависимости от скорости.

Для выяснения физической сущности и основных закономерностей колебаний автомобиля рассмотрим движение по поверхности, микропрофиль которой состоит из синусоидальных неровностей (волн). При одинаковых размерах неровностей автомобиль испытывает гармоническое возмущение.

Дорога с волнистой поверхностью, вызывающая гармоническое воздействие на автомобиль, редко встречается в действительности, однако ее часто используют в расчетах и при испытаниях. Это объясняется не только возможностями упрощения расчетов и постановки эксперимента. Гармоническое воздействие позволяет разобраться в физической сущности колебаний автомобиля, оценить соотношение параметров, сравнить автомобили независимо от особенностей микропрофиля дороги или перевозимого груза и дать оценку колебаниям автомобиля при наиболее неблагоприятных условиях возмущения.

Рассмотрим вначале вертикальные колебания для двухмассовой эквивалентной колебательной системы (ε₁ = 1), а затем перейдем к колебаниям всего автомобиля (ε_y≠1) в продольной и поперечной плоскостях.

Установившиеся (вынужденные) колебания. Рассмотрим вначале тот случай, когда колебательная система, эквивалентная автомобилю, находится под воздействием периодической возмущающей силы, обусловленной волнистой поверхностью дороги, причем колебания имеют установившийся характер.

Примем за величины, характеризующие колебания автомобиля, перемещение z и ускорение z кузова, а также перемещение ζ колеса. Формулы для нахождения этих величин могут быть получены на основании следующих выражений. Для перемещения и ускорения кузова:

Колебательная система, соответствующая передней и задней подвескам, имеет две собственные частоты, и поэтому, когда частота возмущающей силы приблизится к каждой из собственных частот, наступит резонанс — низкочастотный при v = Ω и высокочастотный при v = Ω_К. Условия резонанса можно приближенно записать в виде v = u и v = υ, что мало скажется на конечных результатах. Максимальные значения амплитуд z_v, ζ_v не будут совпадать ни с одним из указанных условий резонанса, но погрешность от введения данного упрощения получится, как правило, небольшая. Из предыдущего выражения следует, что частота v возмущающей силы, скорость движения автомобиля υ_a и длина неровностей s связаны между собой зависимостью

(4.1)

Это выражение можно представить в виде прямых (рис. 6), при помощи которых легко установить значения скорости движения и длины неровности, соответствующие резонансным режимам. Полагая v = u в выражении (4.1), найдем длины неровностей и скорости движения при низкочастотном резонансе:

(4.2)

Выражению (4.2) соответствует прямая I. Для возникновения высокочастотного резонанса v = υ длина неровностей и скорость движения должны соответствовать прямой II или выражению

(4.3)

Полное представление об установившихся колебаниях автомобиля при разнообразных сочетаниях υ_a и s, т. е. при различных значениях частоты v, дают амплитудно-частотные характеристики. Под такими характеристиками понимают зависимость амплитуды рассматриваемой величины от частоты возмущающей гармонической силы (длины неровностей, скорости движения автомобиля). Так, амплитудно-частотными характеристиками, например, перемещений кузова, ускорений кузова и перемещений колеса являются соответственно зависимости

 

или

Амплитудно-частотные характеристики колебаний автомобиля представлены на рис. 63, причем были приняты следующие значения: масса подрессоренной части автомобиля М = 3,06 кГ х м^-1 • сек²; масса неподрессоренной части m_к = 0,612 кГ х м^-1 • сек²; жесткости подвески и шин соответственно 2с_р = 300 кГ/см и 2с_ш = 900 кГ/см; коэффициент h₀ = 0,25 ω₀- Чтобы связать амплитуды колебаний со скоростью движения автомобиля и длиной неровностей, в нижней части рис. 7 приведен график, соответствующий зависимостям, показанным на рис. 6.

 

Рис. 6

Рис. 7. АЧХ колебаний автомобиля

На амплитудно-частотной характеристике можно выделить следующие области: дорезонансную; низкочастотного резонанса; межрезонансную; высокочастотного резонанса; зарезонансную.

Дорезонансная область соответствует малой скорости движения и большой длине неровности (v < и) и характерна тем, что кузов и колеса автомобиля копируют профиль дороги. При этом величины действующих сил мало отличаются от их статических значений.

Область низкочастотного резонанса отличается возрастанием перемещений кузова по сравнению с высотой неровности. Наличие подвески усиливает колебания подрессоренной массы, увеличиваются ее перемещения и ускорения. Колебания подрессоренной массы вызывают также некоторое повышение амплитуды колебаний неподрессоренной массы.

В области высокочастотного резонанса перемещения кузова невелики, но ускорения значительны, так как обусловлены большими перемещениями колес. Наличие подвески приводит к тому, что амплитуда колебаний колес увеличивается и автомобиль как бы движется по волнистой дороге с высотой неровностей 2ζ_v> 2q₀. Можно показать, что начиная с трехчетырехкратного увеличения возмущающей частоты, по сравнению с собственной частотой, действие возмущения можно рассматривать как воздействие ударных импульсов. Поэтому при v ≥ 4и колебания кузова будут восприниматься как периодические толчки, особенно сильные при высокочастотном резонансе, так как случаи, когда v ≥ 4и, встречаются достаточно часто.

Таким образом, в области высокочастотного резонанса кузов автомобиля колеблется так, что, почти не испытывая перемещения, находится под действием значительных ускорений. В межрезонансной и зарезонансной областях колебания уменьшаются, причем зарезонансная область смыкается с областью вибраций, а иногда и областью звуковых колебаний.

Отметим, что соотношения между перемещениями и ускорениями в областях резонансов зависят от параметров автомобиля. Поэтому в отличие от зависимостей, представленных на рис. 7, возможны такие частные случаи, при которых перемещение колеса во время высокочастотного резонанса будет больше, чем во время низкочастотного резонанса или ускорение кузова при низкочастотном резонансе z_u может превысить ускорение z_r при высокочастотном резонансе.

Подчеркнем, что при наступлении резонансов усиление колебаний может не иметь практического значения. Чтобы резонансные колебания были интенсивными, помимо периодического чередования неровностей должны иметь место четыре условия:

1) скорость автомобиля, соответствующая условию v = v, находится в области эксплуатационных скоростей автомобиля;

2) на дороге встречается неровность, имеющая длину, необходимую для возникновения резонанса;

3) затухание колебании является малым;

4) высота неровности значительна.

Область возможных сочетаний значений s и v_a заштрихована на рис. 6. Значения эксплуатационных скоростей ограничены величинами v_mln и v_max, а верхний предел значений длин неровности обозначен s_np.

Амплитудно-частотные характеристики колебаний автомобиля (см. рис. 7) позволяют оценить первые три из перечисленных четырех условий возникновения интенсивных колебаний. По кривым видно, при каких условиях наличие подвески ослабляет или усиливает действие неровностей дороги. Однако абсолютные значения перемещений или ускорений определяются высотой неровности 2q₀.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Взаимодействие автомобиля с неровностями дороги вызывает колебания и вибрации его подрессоренных и неподрессоренных масс, характеризующие плавность хода автомобиля. Эти колебания и вибрации вызывают усталость, головокружение и другие физиологические ощущения водителя и пассажиров, а также оказывают влияние на сохранность перевозимых грузов. Кроме того, колебания и вибрации сопровождаются возникновением динамических нагрузок на подрессоренные и неподрессоренные части автомобиля, вызывающих повышенный износ и поломки. Поэтому скорость движения, а следовательно, и производительность автомобилей, не обладающих достаточной плавностью хода, на неровных дорогах значительно снижаются.

Возникновение колебаний автомобиля связано с дополнительным расходом топлива, затрачиваемого на преодоление сопротивлений в упругих элементах и направляющих устройствах подвески и амортизаторах, а также на покрытие повышенных потерь энергии в шинах и при ударах подрессоренных и неподрессоренных масс.

Таким образом, уменьшение колебаний и улучшение плавности хода имеют весьма большое значение для повышения комфортабельности, надежности, производительности и экономичности автомобиля

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарасик В. П. Теория движения автомобиля: Учебник для вузов. — СПб. БХВ-Петербург, 2006. — 478

2. РотенбергР В. Подвеска автомобиля и его колебания. М, Машгиз, 1960.

3. Фалькевич Б.СТеория автомобиля. М, Машгиз, 1963

 

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: