Исследование динамики подвески автомобиля

Для  обеспечения  этого  принципа  наиболее  желательной  характеристикой чувствительности является зависимость кривизны траектории к от угла поворота рулевого колеса, представленная на рис.2.

Рис.2

Одним из способов изменения чувствительности  машины  к повороту рулевого колеса является создание рулевых управлений с переменным угловым передаточным числом.

Для оценки управляемости  предложено много показателей. На автополигоне НАМИ действует  методика  испытаний  и  оценки устойчивости управления, характеризуемой  свойством  системы «водитель - автомобиль» выполнять с оговоренной заранее точностью на заданном отрезке пути задаваемый закон движения (зависимости изменения скорости, траектории, курсового угла и угла крена в функции пути).

РД 37.001.00 - 82  устанавливает  оценочные  показатели устойчивости  управления  автотранспортных  средств,  методы определения значений показателей устойчивости управления и методы оценки результатов испытаний.

Оценочными  показателями устойчивости управления является:

- устойчивость  управления траекторией, балл;

- устойчивость  курсового управления, балл;

- устойчивость  управления траекторией при торможении, балл;

- устойчивость  курсового управления при торможении, балл;

- предельная  скорость выполнения маневра V , км/час;

- скорость  начала  снижения  устойчивости  управления  траекторией V, км/час;

- скорость  начала  снижения  устойчивости  курсового  управления, V_тр, км/час.

Оценку устойчивости управления дают в баллах по субъективным ощущениям испытателя (органолептическим методом) по специальной шкале.

Показатели  с 1 по 4 определяют в эксплуатационных штатных режимах движения со скоростями V_max на специальных дорогах.

При оценке показателей 3 и 4 торможение происходит от V_o до V= 0,5V_o с замедлением j_t = 0,5 g.

Показатели 5 - 7 определяют при испытаниях на критических (нештатных) режимах движения, которые  заключаются в выполнении заданных разметкой маневров «Переставка», «Поворот», торможение на повороте .

Кроме того, имеется  целый ряд показателей и характеристик, из которого для оценки управляемости могут быть выделены следующие:

- характеристика  статической траектории управляемости;

- характеристика  « рывок руля»;

- характеристика выхода  из поворота;

- характеристика легкости  рулевого управления;

- предельная скорость  входа в заданных поворот;

- предельная скорость  входа в заданную « переставку»;

- средняя угловая скорость  поворота рулевого колеса на  прямолинейном участке дороги (средняя скорость подруливания).

Существенное  влияние на устойчивость и управляемость автомобиля оказывают колебания управляемых колес.

Для исследования этих колебаний рассмотрим управляемый  мост как динамическую систему. При  этом предположим, что автомобиль имеет  зависимую подвеску колес.

Перемещения масс управляемого моста при движении автомобиля

Рис. 4 
а) в вертикально – поперечной плоскости; б) в горизонтальной плоскости

При движении колесной машины возможны следующие перемещения масс моста: вертикальное перемещение в вертикально - поперечной плоскости, обозначенное координатой .

Угловое перемещение  в вертикально - поперечной плоскости, обозначенное координатой  .

Угловое перемещение  колес относительно шкворней в горизонтальной плоскости, обозначенное координатой  .

Наибольшее  влияние на управляемость и устойчивость автомобиля оказывают угловые колебания  колес моста в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях (координаты и ).

Возмущающий момент, вызывающий колебания управляемых колес, может возникать вследствие гироскопического эффекта колес, несоответствия кинематики подвески и рулевого привода, а также из - за неуравновешенности (дисбаланса) колес.

Угловые колебания  в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях взаимосвязаны. Эта связь обусловлена гироскопическим эффектом.

Гироскоп - быстро вращающийся маховик, заключенный  в рамку с двумя цапфами, которые позволяют ей вращаться вокруг вертикальной оси.

Если приложив внешний момент , поворачивать гироскоп с вращающимся маховиком так, как это показано на рисунке, то рамка гироскопа начнет поворачиваться в цапфах вокруг вертикальной оси с угловой скоростью . Это движение носит название прецессии и совершается под действием гироскопического момента , который определяется по формуле:

                                                                                   (2)

где         - момент инерции маховика относительно собственной оси вращения;

             - угловая скорость маховика относительно собственной оси вращения;

- угловая скорость поворота  рамки гироскопа.

Управляемые колеса движущегося автомобиля, представляют собой маховики гироскопов и реагируют на всякое угловое перемещение их осей.

Возникновение гироскопического момента при наезде одного из управляемых колес на неровность.

                    

Рис.6

Например, если вследствие наезда на неровность ось моста повернулась в поперечно - вертикальной плоскости на угол , то возникает гироскопический момент , стремящийся повернуть управляемые колеса в горизонтальной плоскости. Величина этого момента определяется  скоростью автомобиля, моментом инерции левого и правого колес , и угловой скоростью поворота осей колес . Аналогично при повороте управляемых колес в горизонтальной плоскости возникает гироскопический момент, поворачивающий мост в  поперечно - вертикальной плоскости.

Связь между  угловыми колебаниями управляемых  колес в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях зависит от скорости движения автомобиля и кинематики подвески.

При малых скоростях  движения, когда гироскопические  моменты колес малы, колебания колес в вертикально - поперечной  и горизонтальной плоскости можно считать независимыми.

С увеличением  скорости движения автомобиля  связь  между колебаниями колес в вертикально - поперечной и горизонтальной плоскостях усиливается и будет тем больше, чем больше отклоняются плоскости вращения колес от вертикальной плоскости при их перемещениях.

При высоких  скоростях движения угловые колебания  управляемых колес  сопровождаются  значительными  упругими  деформациями подвески, шин и деталей рулевого управления, которые обуславливают появление значительных по величине восстанавливающих моментов. В следствии этого, при некоторых условиях могут возникать самовозбуждающиеся колебания управляемых колес.

Эти колебания  носят характер автоколебаний и  называются «шимми» -   (Шимми - название бального танца).

Приведенные исследования показывают, что при уменьшении жесткости подвески, шин и деталей рулевого управления, увеличении масс колес, а также гироскопические связи (увеличение скорости движения автомобиля ) амплитуда колебаний колес возрастает.

Поскольку явления  автоколебаний (шимми) вызвано гироскопической связью угловых колебаний моста в вертикально - поперечной плоскости и колес в горизонтальной плоскости, устранение этих колебаний обеспечивается применением независимых подвесок, в которых деформация упругих элементов не приводит к изменению положения плоскости вращения колес.

К таким подвескам  относятся: свечные подвески, подвески на продольных рычагах, 2-х рычажные подвески с поперечным расположением рычагов и т.д. (рис.7).

Схема независимых  подвесок

Рис. 7

Колебания управляемых  колес могут быть вызваны также  наличием двойной связи управляемых  колес с корпусом (рамой) машины (через подвеску и рулевое управление).

Причиной колебаний  управляемых колес относительно шкворней может быть несогласованность кинематик подвески и рулевого управления.

Рис. 8

При перемещениях балки моста относительно рамы (рис. 8), шарнир на конце рычага поворотной цапфы должен качаться с одной стороны, в соответствии с кинематикой подвески по траектории А - А, а с другой - по дуге В-В, радиус которой равен длине продольной рулевой тяги. Расхождение дуг А-А и В-В приводит к тому, что управляемые колеса при их вертикальных перемещениях относительно рамы автомобиля поворачиваются вокруг шкворней.

Поэтому при  выборе кинематики подвески и кинематики рулевого привода всегда стремятся  расположить как можно ближе  центры качания рессор (направляющих элементов подвески) и продольной рулевой тяги.

Вынужденные колебания управляемых колес также могут быть вызваны их неуравновешенностью (дисбалансом).

Возбуждение колебаний  при неуравновешенности управляемых  колес

Рис. 9

Если автомобильное  колесо имеет избыток массы (дисбаланс) в точке а, то при его вращении возникает центробежная сила , которую можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Под действием силы колесо стремиться повернуться относительно шкворня в горизонтальной плоскости, а под действием силы переместится в вертикальном направлении.

Наиболее неблагоприятным является случай, когда оба колеса имеют дисбаланс и неуравновешенные участки расположены в одной плоскости, но с разных сторон оси вращения колес. В этом случае моменты и , действующие на колеса, складываются и угловые колебания становятся особенно сильными.

Для уравновешивания  колес производится их динамическая балансировка. При этом сначала определяется требуемая дополнительная масса  балансировочного груза и место  его размещения, а затем груз устанавливается на колесо.

Предельный  дисбаланс колеса в сборе у  легковых автомобилей не должен превышать 30 нсм, у грузовых - 115 нсм. Для балансировки колес применяются специальные балансировочные станки.

Устойчивость  прямолинейного движения автомобиля в  значительной мере обеспечивается стабилизацией управляемых колес.

1.2. Плавность хода автомобиля

Плавность хода автомобиля является одним из наиболее важных эксплуатационных свойств автомобиля, существенным образом влияющим на:

а) среднюю скорость движения автомобиля;

б) утомляемость личного состава;

в) срок службы механизмов, агрегатов;

г) сохранность грузов.

Плавность хода - это способность двигаться по дорогам и местности с заданными эксплуатационными скоростями без значительных  ударов, толчков и таких колебаний корпуса, которые могли бы оказать вредные влияния на физиологическое состояние экипажа, перевозимых людей, сохранность грузов и нормальную работу механизмов автомобиля.

Необходимая плавность  хода достигается конструкцией подвести и частично шинами. Упругие элементы подвести и шины преобразуют энергию ударов и толчков в энергию колебаний, которая рассеивается амортизаторами.

Критерии оценки плавности  хода могут служить такие показатели колебаний подрессоренной массы  автомобиля как:

а) частота колебаний;

б) максимальная скорость колебаний;

в) скорость изменения ускорений колебаний.

Кратко рассмотрим эти  показатели.

Частота колебаний подрессоренной части автомобиля очень важна  с точки зрения обеспечения плавности  хода. Наиболее простым критерием  оценки плавности хода может служить частота собственных колебаний корпуса автомобиля.

Условием хорошей плавности  хода является совпадение величин частот собственных колебаний со средней  частотой шагов (60...90 мин) человека, что  соответствует 1,0...1,5 Гц.

Однако, для более точной оценки плавности хода необходимо оценивать параметры не только собственных, но и вынужденных колебаний.

Максимальная амплитуда колебаний зависит от подвески автомобиля и условий его движения (скорость движения, неровности дороги). Но параметр, хотя и характеризует колебательное движение автомобиля, не может в полной мере служить критерием оценки плавности хода с точки зрения воздействия на организм человека. Поэтому амплитуда учитывается обычно с другими показателями (в частности с частотой колебаний).

Максимальная скорость колебательного движения едва ли может служить критерием плавности хода ибо почти не ощущается организмом человека.

Максимальное ускорение как критерий имеет большое значение для оценки действия колебательного движения на организм человека. Ускорение определяет те максимальные силы, которые вызывают в организме человека неприятные и даже болезненные ощущения.