Исследование динамики подвески автомобиля

Скорость изменения  ускорения. Влияние этого параметра в известной степени напоминает воздействие давления воды на организм водолаза. Хорошо известно, особенно вредным является не столько абсолютное значение давления воды, сколько быстрота изменения этого давления.

Поэтому, в частности, погружение и подъем водолаза производится очень медленно, иначе может развиться  кессоновая болезнь.

Таким образом, основными  критериями оценки плавности хода, определяемыми ОСТ 37.001.291-84 в настоящее  время являются: максимальные значения ускорений ( ) и средние квадратичные величины ускорений, ( ) зафиксированы в характерных местах  подрессоренной массы (в кабине, над осью колес, в центре грузовой платформы и т.д.).

Остальные перечисленные  выше критерии (частота, скорость, амплитуда  и др.) носят второстепенный характер.

Международная организация  по стандартизации (ИСО) предлагает учитывать продолжительность действия колебаний. Если частота колебаний находится в пределах 4...8 Гц и колебания действуют на человека в течение 8 часов (условного рабочего дня), то средние квадратичные ускорения 0,35 м/c² определяют границу утомляемости. С изменением частоты ( ) и времени воздействия эти показатели изменяются в соответствии с рис.10.

Рис. 10.

Поскольку ускорения  действуют на человека и грузы  по-разному при различных частотах, для обобщенной сравнительной оценки их приводят к одному уровню. Делают это с учетом весовых коэффициентов и, конечно, раздельно по видам и направлениям колебаний - вертикальных, горизонтальных.

Для оценки плавности  хода весь диапазон частот колебаний  машины принято делить на несколько частей (полос), называемых октавами. Среднее геометрическое значение частоты соседних октав различается в 2 раза (табл. 1).

Величина эквивалентного среднеквадратичного, например, вертикального  ускорения, определяется, таким образом, по формуле

                               

                                                 (14)

где  n - номер октавы;

- весовой коэффициент;

- средняя квадратичная величина  вертикальных ускорений в i -ой октаве.

Таблица 1.

Параметр	Номер октавы
	1	2	3	4	5
Граница диапазона, Гц, нижняя верхняя	0,7 0,4	1,4 2,8	2,8 5,6	5,6 11,2	11,2 22,4
Среднее геометрическое значение частоты, Гц	1	2	4	8	16
Весовой коэффициент  чувствительности человека к вертикальным вибрациям, Кв	0,5	0,71	1,0	1,0	0,5

Величины ускорений  в каждой октаве могут быть найдены  либо расчетным путем при моделировании, либо экспериментально при испытаниях автомобиля на плавность хода.

Методы испытаний автомобиля на плавность хода определены в ОСТ 37.001.275-84. В процессе испытаний виброускорение (вертикальное, продольное, поперечное), действующие на водителя измеряют с помощью специальных датчиков, установленных на месте сидения водителя на специальной плите.

Кроме того, проводятся на специальных дорогах трех категорий:

1 - цементобетонное шоссе;

2 - булыжная мощеная   дорога  без выбоин;

3 - булыжная дорога  с выбоинами.

Скорость движения выбирается в пределах от 30 до 110 км/ч в зависимости  от типа дороги и класса автомобиля.

По результатам замеренных виброускорений рассчитывают эквивалентные  значения среднеквадратичных виброускорений, по величине которых и оценивают  плавность хода автомобиля.

К  эксплуатационным  факторам,  которые  влияют на плавность хода машины можно отнести:

-степень нагрузки  автомобиля;

-состояние подвески  автомобиля;

-состояние шин  и их модель;

-давление воздуха  в шинах;

-степень квалификации  водителя.

Так, например,  степень загрузки автомобиля прямо  пропорциональна плавности хода,  а чем больше давления в шинах,  тем  выше жесткость ( ) и т.д.

К конструктивным факторам,  влияющим на плавность  хода автомобиля относятся:

база автомобиля, L , м;

масса автомобиля, m_a , кг;

момент инерции  корпуса  автомобиля  относительно  поперечной

оси,

,   [ кГ м с²],                           (32)

где A - опытный коэффициент, равный A = 0,13...0,22;

   - подрессоренная масса автомобиля;

     L - база автомобиля;

           - расположение колес относительно центра тяжести;

           - статический и динамический  ход колес ( );

           - сопротивление амортизаторов,  определяемые их числом, расположением и характеристикой;

           - тип, характеристики подвески;

           - жесткость шин.

1.3. Собственные и вынужденные колебания

Это колебания,  вызываемые единичными импульсами (единичной неровностью) и имеющие определенную частоту.

Основными характеристиками собственных колебаний являются - частота собственных колебаний ( ) и коэффициент относительного затухания (к).

Автомобиль имеет количество частот собственных колебаний по количеству степеней свободы. То есть он имеет определенные частоты собственных  вертикальных, поперечных, продольно- угловых и других колебаний.

Значения этих частот зависят от массовых и геометрических параметров автомобиля, а также от жестокости его подвески.

Так, частота собственных  вертикальных колебаний двухосного автомобиля определяется по формуле:

 

                                                (1)

где - радиальная жесткость передней и задней подвески, соответственно;

      - подрессоренная масса автомобиля.

Частота собственных продольно  угловых колебаний определяется по формуле

,                                        (2)

где - расстояние от передней и задней оси до центра тяжести автомобиля соответственно;

       - момент инерции подрессоренной массы относительно оси.

Из теории колебаний известно, что  чем меньше частота собственных колебаний, тем лучше плавность хода.

Следовательно, для улучшения плавности хода автомобиля необходимо снижать радиальную жесткость подвески.

Но снижение жесткости подвески приводит к увеличению статистического ( ) и динамического ( ) хода подвески, что приводит к усложнению конструкции подвески; значительному изменению дорожного просвета при колебаниях корпуса;  увеличению амплитуды колебаний корпуса, в продольной и поперечной плоскостях.

Статистический ход подвески можно  определить по формуле

 

                                                                                   (3)

где - вес подрессоренных частей

        g - ускорения  свободного падения (g = 9,81 м/c2 ) c учетом  выражения (3) имеется следующая  связь между частотой собственных  колебаний и статическим ходом подвески

                                                                                               (4)

Отношение величины динамического  хода подвески к статистическому  называется коэффициентом динамичности подвески (j).

                                                                                                     (5)

Таким образом,  подвеску  желательно иметь более мягкую, чтобы  улучшить показатели плавности хода и более жесткую, чтобы уменьшить амплитуды колебаний корпуса автомобиля. Исходя из этого, для выполненных конструкций грузовых автомобилей жесткость подвесок равна

Ср = 20…60 кН/м (200…800 кг/см)

Иногда при выборе жесткости подвесок пользуются парциальными частотами собственных колебаний, при этом подрессоренная масса (mn) рассматривается в виде двух масс, сосредоточенных над осями (рис.11).

Парциальными частотами  называются  частоты колебаний  с одной степенью свободы (рис.12).

Рис.11

Рис. 12

Парциальные частоты  вертикальных колебаний определяются по формулам

,                                                 (6)

а                     

,                       тогда        

При выборе жесткости  подвесок важно чтобы центр упругости  совпадал с центром  тяжести, в этом случае при движении по неровностям  автомобиль будет иметь лишь вертикальные перемещения подрессоренных масс. Ц.У. - центр упругости, а Ц.Т. - центр тяжести автомобиля.

Для современных грузовых автомобилей значения парциальных  частот находятся в пределах 1,2....1,8 Гц (75...110 мин-1).

Зная распределение  масс автомобиля по осям можно рассчитать необходимую жесткость подвески.

Cобственные колебания  автомобиля являются затухающими,  поскольку происходит рассеивание энергии:

- в амортизаторах;

- на трение в элементах  подвески.

Главный источник затухания - амортизатор.

Сопротивление амортизаторов  можно в первом приближении считать пропорциональным скорости перемещения подрессоренной массы относительно неподрессоренной. Следовательно, при наличии в подвесках гидравлических амортизаторов колебания будут затухать по геометрической прогрессии.

Рис. 13.

Интенсивность гашения колебаний оценивается декрементом затухания (Д3), который равен отношению амплитуд колебаний (Z) через период (T)

                                                                                                     (8)

На практике пользуются не декрементом затухания, а логарифмическим декрементом, который равен

                                                                                     (9)

где - коэффициент затухания колебаний.

Значение  находится в пределах 1,5...2,0 рад/с. Чтобы учесть совместное влияние коэффициента затухания ( ) и жесткости подвески (ср) на частоту собственных колебаний пользуются коэффициентом апериодичности ( ), который равен

 

                                             (10)

 

У современных автомобилей    = 0,15 - 0,25.

Амортизаторы выбирают с коэффициентом сопротивления, способным гасить колебания от единичной неровности за 1...2 года.

При движении на автомобиль через его колеса действуют переменные по величине силы со стороны поверхности дороги.

Колебания автомобиля под действием переменных сил называются вынужденными.

Источниками возникновения  вынужденных колебаний являются:

- взаимодействие колес  с неровностями дороги (основной  источник);

- геометрическая и  силовая неоднородность шин;

- неравномерность вращения шин.

Неровности дороги характеризуются  формой, размерами и характером чередования. Форма неровности может быть любой: синусоидальной, параболической, прямоугольной и т.д.

Размеры неровностей  определяются их длиной и высотой.

По характеру чередования  неровности бывают: единичные, периодически чередующиеся и случайный микропрофиль.

Высота и профиль  неровностей определяют величину (амплитуду) импульсов колебаний, причем каждая неровность передает на автомобиль не один, а серию импульсов, воздействующих последовательно на каждое колесо. следовательно, в зависимости от расстановки осей по базе в одних и тех же условиях эти импульсы могут для одного автомобиля усиливать колебательный процесс,  для  других - ослаблять его.

Характер вынужденных  колебаний зависит также от скорости движения автомобиля, так как от скорости проезда неровностей зависит частота импульсов, воздействующих на колеса.

Наиболее сложным для  исследования вынужденных колебаний  является случай движения по случайному микро профилю, так как случайное изменение высоты неровности по длине пути может быть охарактеризовано лишь статистически.

Оценить показатели плавности  хода на дороге со случайным характером изменения микропрофиля довольно сложно.

С другой стороны, любые  неровности дороги можно представить себе как совокупность чередующихся выступов и впадин, имеющих различные значения  по высоте (глубине) и длине.

Следовательно, любую  дорогу в первом приближении можно  считать имеющий синусоидальный профиль с различными значениями высоты (q) и длины волны (l) неровности (рис.14).

 

 

 

Рис.14

Наиболее близкий к  синусоидальному имеют профиль  наезженные грунтовые дороги. Высота неровности на этих дорогах колеблется в пределах 20...200 мм, длина волны неровности - 0,5...13,0 м.