Вопрос 53. Автомобиль – как колебательная система.

АТС - сложная механическая система, состоящая из большого числа масс с различными связями. При изучении законов движения сложных механических систем используют понятие степеней свободы, под которым понимают сумму независимых перемещений элементов системы, каждый из которых рассматривается как твердое тело.

Степень подробности описания колебаний АТС, а следовательно, и число учитываемых степеней свободы зависит от характера решаемых задач. Для изучения колебаний в первом приближении удобно пользоваться колебательной системой, состоящей из трех масс. Первая – подрессоренная, включающая в себя массу кузова, двигателя, механизмов трансмиссии, массу груза, пассажиров и водителя. Эти элементы в совокупности рассматривают как твердое тело, имеющее две степени свободы – перемещение в вертикальном направлении и поворот в вертикальной плоскости. Неподрессоренные массы, куда относят передний и задний мосты вместе с колесами, имеют по одной степени свободы – вертикальные перемещения. Таким образом, система, имитирующая двухосный автомобиль, имеет три массы и четыре степени свободы.

Для такой колебательной системы число собственных частот колебаний равно числу степеней свободы. Колебания могут быть свободными и вынужденными. Свободными называют колебания системы, которые она совершает после прекращения действия нагрузки (источника колебаний). Спереди и сзади подрессоренная масса опирается на дорогу через два последовательно включенных упругих элемента – упругий элемент подвески, имеющий жесткость с , и шину, имеющую жесткость с .

Покажем, что при изучении колебаний нескольких упругих элементов, их можно заменить одним, имеющим специально подобранную жесткость, которую называют приведенной. Если обозначить суммарный прогиб двух элементов как f , то прогибы каждого можно расписать как f = P/c и f = P/c . Учитывая, что f = f + f , имеем:

f = P/c + P/c = P(1/с + 1/ с ) = Р (с + с )/ с с .

С другой стороны: f = Р/с , отсюда: 1/ с = (с + с )/ с с , т.е.

с = с с /(с + с ).

Характерны следующие соотношения жесткостей:

- легковые АТС особо малого класса с / с = 3…4

- легковые АТС малого и среднего класса с / с = 7…10

- легковые АТС высшего класса с / с = 10…20

- грузовые АТС с / с = 2,5…5.

Как подрессоренные, так и неподрессоренные массы совершают сложные двухчастотные колебания. Двухосное АТС имеет четыре собственные частоты – две низкие и две высокие. Наиболее простой оценочный показатель плавности хода – частота свободных колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс, а также вынужденных колебаний.

Частоты свободных колебаний, Гц подрессоренных масс определяют по зависимости:

,

где: w_z – частота свободных колебаний, Гц;

f_ст – статический прогиб подвески, в качестве которого принимают перемещение колес относительно кузова за счет деформации упругого элемента подвески под действием силы тяжести, м.

f_ст = G /C,

где: G – статическая весовая нагрузка на подвеску данной оси, Н;

C– суммарная жёсткость подвески данной оси, Н/м.

Плавность хода легковых автомобилей считается удовлетворительной при w_z = 0,8-1,2 Гц, грузовых при w_z = 1,2-1,8 Гц.

Частота свободных колебаний неподрессоренных масс (мостов автомобиля), совершающих высокочастотные колебания, обусловлена жёсткостью шин, Гц.

,

где: – суммарная жёсткость шин данной оси, Н/м.

- суммарная жесткость упругих элементов подвески оси;

m_м– масса моста, кг.

Обычно принимают: m_м1= 0,1× m_a ; m_{м 2} = 0,15× m_a ,

где: m_м1 и m_м2– масса соответственно переднего и заднего мостов;

m_a– собственная масса автомобиля.

Помимо свободных, автомобиль совершает и вынужденные колебания, вызываемые неровностями дороги. Частота этих колебаний, Гц, определяется из выражения:

ω_вын= V_a /S ,

где: V_a – скорость автомобиля, м/с;

S – длина волн неровностей, м. На дорогах с твёрдым покрытием S = 0,5÷5 м.

Основными оценочными показателями плавности хода являются уровни вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов и характерных элементов шасси и кузова. Оценка вибронагруженности производится по средним квадратическим значениям ускорений колебаний (виброускорений) или скоростей колебаний (виброскоростей) в вертикальном и горизонтальном направлениях. Нормы виброускорений и виброскоростей установлены в зависимости от различных частот колебаний. Виброускорения проверяют в строго определенных местах, например, для водителя в месте его посадки, для пассажиров: у легковых АТС – на заднем сидении, с правой стороны, у автобусов – у левой стенки пассажирского салона и над передним и задним левыми колесами.

На автополигоне НАМИ плавность хода оценивают по ОСТ 37.001.291-84 по значениям средних квадратичных виброускорений на сидении водителя. Испытания проводятся для трех типов дорог:1) цементобетонная динамометрическая дорога с высотой неровностей до 6 мм 2) булыжная мощеная дорога без выбоин с высотой неровностей до 1,1 см 3) булыжная дорога с выбоинами до 3 см. Соответственно виброускорение на сидении водителя не должно превышать 1 м/с , 1,5 м/с , 2,3 м/с .

В тех случаях, когда реальные значения среднего квадратичного ускорения превышают нормативные, время работы, при котором сохраняется работоспособность и вызываемое вибрацией утомление не ведет к снижению производительности труда, уменьшается с 8 часов до следующих значений: при превышении допустимых норм в 1,4 раза – до 2 часов, в 2 раза – до 1 часа, в 4 раза – до 15 мин.

Для предупреждения перемещения незакрепленных грузов необходимо чтобы вертикальные ускорения пола грузовой платформы не превышали значения g. Исходя из этого значения средних квадратичных виброускорений, с учетом необходимого запаса, не должны превышать 0,15…0,3 g.

Наряду с колебаниями, вызываемыми неровностями, большое внимание уделяется нормированию звуковых колебаний (уровня шума) как внутри, так и снаружи АТС. Уровень шума проверяется при интенсивном разгоне на второй или третьей передаче. Так для легковых АТС уровень шума установлен: внешний – 82 дБ внутренний – 80 дБ. Для автобусов внешний – 89 дБ, внутренний 82 дБ.

Тема 11. Проходимость.

Общие положения.

К ухудшенным дорожным условиям относят мокрые, грязные, заснеженные, обледенелые, разбитые и размокшие дороги. К препятствиям относят уклоны, барьерные препятствия (рвы, кюветы, каналы, насыпи), дискретные препятствия (пни, кочки, валуны и т.д.). Потеря проходимости может быть полная или частичная. Частичная проходимость связана со сниже-нием скорости, а также ростом расхода топлива. Проходимостью должны обладать АТС всех типов, но в зависимости от назначения в разной степени. По проходимости АТС подразделяются на дорожные, повышенной и высокой проходимости.

К дорожным относятся АТС предназначенные преимущественно для эксплуатации на дорогах с твердым покрытием. К их конструктивным особенностям относят отсутствие полного привода, шины с дорожным или универсальным протектором, использование простых неблокируемых дифференциалов.

АТС повышенной проходимости используются как для дорог с твердым покрытием, так и для движения вне дорог и преодоления препятствий. К их конструктивным особенностям относят полноприводность, использование широкопрофильных или арочных шин, блокируемых дифференциалов, высокий дорожный просвет, средства самовытаскивания, в некоторых конструкциях регулирование давления воздуха в шинах.

АТС высокой проходимости предназначены преимущественно для использования в условиях бездорожья, преодоления естественных и искусственных препятствий, а также водных преград. АТС такого типа отличаются своеобразной компоновочной схемой, полноприводностью, наличием самоблокирующих дифференциалов, использованием специальных шин, различного рода дополнительных устройств, причем некоторые из них являются плавающими и имеют специальный водяной двигатель.

Проходимость делится на профильную и опорную. Профильная проходимость характеризует возможность преодолевать неровности пути, препятствия и вписываться в требуемую полосу движения. Опорная проходимость определяет возможность движения в ухудшенных дорожных условиях и по деформируемым грунтам.