Вынужденные колебания автомобиля

При движении по неровностям дороги автомобиль может со­вершать не только свободные, но и вынужденные колебания.

Вынужденными называются колебания, совершаемые автомо­билем вследствие действия периодической возмущающей силы, обусловленной волнистой поверхностью дороги.

Для динамической системы (рис. 13.14) при наличии в ней со­противления (трения) уравнение вынужденных колебаний имеет вид

или

где q(t) — возмущающая сила, действу­ющая на систему.

Вынужденные колебания автомоби­ля, происходящие при его движении по волнистой поверхности дороги, зави­сят от частоты возмущающей силы (че­редования неровностей), с^–1:

где v — скорость автомобиля, км/ч; l_д — длина неровностей дороги, м.

В условиях эксплуатации частота воз­мущающей силы не остается постоян­ной, так как возможны различные сочетания скорости движения автомобиля и длины неровностей.

Наиболее полное представление о вынужденных колебаниях автомобиля при различных значениях частоты возмущающей силы дает его амплитудно-частотная характеристика. Она включает в себя зависимости перемещений кузова и колес, а также ускоре­ний кузова автомобиля от частоты возмущающей силы.

На рис. 13.15 представлена амплитудно-частотная характерис­тика автомобиля. По оси ординат амплитудно-частотной характе­ристики отложены отношения перемещений кузова z,перемеще­ний колес ζи ускорений кузова к высоте дорожных неровнос­тей q,а по оси абсцисс — частота возмущающей силы. Для связи амплитуд колебаний со скоростью движения автомобиля и дли­ной дорожных неровностей в нижней части амплитудно-частот­ной характеристики приведены зависимости, отражающие связь между частотой ν возмущающей силы, длиной неровностей доро­ги l_д и скоростью автомобиля v.

Амплитудно-частотная характеристика автомобиля включает в себя пять областей: дорезонансную, область низкочастотного ре­зонанса, межрезонансную, область высокочастотного резонанса и зарезонансную. Рассмотрим особенности этих областей.

Дорезонансная область соответствует малой скорости движе­ния автомобиля и большой длине дорожных неровностей. Для нее характерно то, что кузов и колеса автомобиля копируют профиль дороги. При этом перемещения кузова и колес незначительны, а ускорения кузова небольшие.

Область низкочастотного резонанса характеризуется возраста­нием перемещений кузова по сравнению с высотой дорожных неровностей. Подвеска усиливает колебания кузова, вследствие чего

Рис. 13.15. Амплитудно-частотная характеристика автомобиля:

1 — дорезонансная область; 2 — область низкочастотного резонанса; 3 — межре­зонансная область; 4 — область высокочастотного резонанса; 5 — зарезонансная область; l_д1 — l_д8 — значения длины неровностей дороги

возрастают его перемещения и ускорения. Колебания кузова вы­зывают увеличение амплитуды колебаний колес. В области низко­частотного резонанса происходят колебания автомобиля с часто­той 80... 100 мин^–1.

Межрезонансная область характеризуется уменьшением коле­баний кузова и колес, а также снижением ускорений кузова по сравнению с областью низкочастотного резонанса.

Для области высокочастотного резонанса характерны незначи­тельные перемещения кузова и большие его ускорения, обуслов­ленные значительными перемещениями колес.

В широкой области высокочастотного резонанса кузов колеб­лется так, что почти не происходит его перемещения, хотя он находится под действием больших ускорений. В области высокоча­стотного резонанса автомобиль совершает колебания с частотой 400...500 мин^–1.

Зарезонансная область характеризуется тем, что в ней про­исходит уменьшение перемещений и ускорений кузова, а так­же перемещений колес по сравнению с областью высокочас­тотного резонанса, причем эта область смыкается с областью вибраций.

Из амплитудно-частотной характеристики видно, что в облас­тях низкочастотного и высокочастотного резонансов можно уста­новить определенные соотношения между перемещениями кузо-

ва, колес и ускорениями. Эти соотношения неодинаковы для раз­личных автомобилей и зависят от их параметров.

13.11. Вибрации автомобиля

При движении автомобиля неровности дороги вызывают не только свободные и вынужденные колебания, но и вибрации от­дельных элементов шасси и кузова, частота которых составляет от единиц до нескольких тысяч герц. Причинами возникновения виб­раций являются силы взаимодействия колес с дорогой, а также аэродинамические силы и колебательные явления, связанные с работой элементов шасси автомобиля.

Вибрации ухудшают комфортабельность автомобиля, вызыва­ют неприятные ощущения и быструю утомляемость пассажиров и водителя, снижают производительность труда водителя, а также создают повышенное механическое напряжение в отдельных эле­ментах шасси и кузова автомобиля.

Особенно вредным является шум, который создается вибраци­ями как внутри автомобиля (в салоне и кабине), так и снаружи — на автомобильных дорогах и улицах городов. И если у человечес­кого организма есть защитные реакции от ожогов и яркого света, то от шума таких реакций нет.

По своему уровню шум, создаваемый легковыми, грузовыми автомобилями и автобусами, подразделяется на внутренний и внешний.

При уровне шума, превышающем определенный предел, про­исходит перегрузка нервной системы и головного мозга человека. В результате ослабляются внимание и память, снижаются точность работы и реакция, ухудшаются восприятие информации, движе­ния становятся вялыми.

Допустимые уровни внутреннего и внешнего шума автомоби­лей строго регламентированы. Они измеряются в дБ А. Ниже при­ведены их значения:

Источники шума Внутренний Внешний

Легковые автомобили.......... 80 82

Грузовые автомобили.......... 84 89,91

Автобусы .............................. 82 89,91

Уровни внутреннего и внешнего шума автомобилей измеряют специальными приборами — электронными шумомерами. Замеры производят при интенсивном разгоне автомобилей на II и III пе­редачах.

Наибольший шум при движении автомобилей создают двига­тель, его системы впуска горючей смеси, воздуха и выпуска отра­ботавших газов, вентилятор системы охлаждения и шины.

13.12. Влияние различных факторов на плавность хода

автомобиля

На плавность хода автомобиля существенное влияние оказыва­ют подвеска и ее техническое состояние, шины, дорожные не­ровности и масса перевозимого груза.

Тип подвески колес.Независимая подвеска колес обеспечивает лучшую плавность хода, чем зависимая. При использовании незави­симой подвески (рис. 13.16, б) в отличие от зависимой (рис. 13.16, а)колеса автомобиля не имеют связи между собой и перемещение одного колеса не вызывает перемещения другого. Кроме того, пе­редняя независимая подвеска управляемых колес позволяет по­лучить статический прогиб, приблизительно равный статичес­кому прогибу задней зависимой подвески. Поэтому при наезде автомобиля на препятствие элементы его кузова перемещаются практически параллельно друг другу. Применение независимой подвески для задних ведущих колес также улучшает плавность хода, но повышает стоимость автомобиля из-за усложнения при­вода ведущих колес.

Упругое устройство подвески.В качестве упругого устройства в подвесках автомобилей используют листовые рессоры, пружины, торсионы и пневматические баллоны (рис. 13.17).

Пружины и торсионы имеют меньшую массу по сравнению с листовыми рессорами. Они более долговечны, не обладают сухим трением, просты по конструкции и удобны для обслуживания при эксплуатации. Поэтому в передних независимых подвесках легковых автомобилей применяют пружины и торсионы, обеспечивающие лучшую плавность хода, чем рессоры.

Пневматические баллоны также обеспечивают высокую плав­ность хода вследствие возможности регулирования в широких пре­делах жесткости подвески и высоты положения кузова. Однако пневматические подвески целесообразно применять на автобусах, нагрузка которых значительно изменяется при массовой перевоз­ке пассажиров.

Рис. 13.17. Упругие устройства подвески:

а — рессора; б — пружина; в — торсион; г — пневматический баллон

Неподрессоренные массы.Вес неподрессоренных масс автомо­биля (мостов, колес) оказывает влияние на плавность его хода. Так, например, при меньшем весе неподрессоренных масс обес­печивается лучшая плавность хода вследствие ослабления толчков и ударов, передаваемых от дорожных неровностей на несущую систему (кузов, раму) автомобиля. При независимой подвеске вес неподрессоренных масс автомобиля значительно меньше, чем при зависимой.

Гасящее устройство подвески.В качестве гасящего устройства подвески используют гидравлические телескопические амортиза­торы низкого и высокого давления. Амортизаторы высокого дав­ления (газонаполненные, рис. 13.18), обеспечивают лучшую плав­ность хода, чем амортизаторы низкого давления. Это связано с лучшими условиями работы амортизаторной жидкости в газона­полненных амортизаторах: более эффективным охлаждением, мень­шим внутренним давлением, отсутствием вспенивания. Кроме того, амортизаторы высокого давления можно устанавливать на авто­мобиле в любом положении (от горизонтального до вертикально­го) благодаря наличию плавающего поршня, разделяющего амор-тизаторную жидкость и газ. Однако газонаполненные амортизато­ры имеют большую длину и стоимость, чем амортизаторы низко­го давления.

Пневматические шины.При движении по неровностям дороги шины оказывают незначительное влияние на низкочастотные ко­лебания (колебания кузова) вследствие того, что они деформи­руются меньше, чем подвеска. Однако шины существенно влияют на высокочастотные колебания автомобиля, так как при сниже­нии их жесткости уменьшаются вертикальные перемещения ко­лес и ускорения кузова.

Более эластичные шины улучшают плавность хода автомобиля. С этой целью в них снижают давление воздуха и увеличивают ши­рину их профиля. Так, например, на легковых автомобилях при-

Рис. 13.18. Газонаполненный амортизатор:

1 — плавающий поршень; 2 — газ; 3 — амортизаторная

жидкость

меняют шины низкого давления, низкопро­фильные и сверхнизкопрофильные. Такие шины кроме плавности хода повышают устойчивость и безопасность движения автомобиля.

Техническое состояние подвески.Ухудшение плавности хода автомобиля может быть значи­тельным при неудовлетворительном техничес­ком состоянии подвески. Так, при недостаточ­ной смазке рессор между их листами возника­ет сухое трение, увеличивающее частоту коле­баний кузова.

Сухое трение может блокировать (выклю­чать) подвеску, вследствие чего кузов автомо­биля при переезде дорожных неровностей бу­дет испытывать резкие толчки и удары. Анало­гичное явление происходит при повышении сопротивления гидравлических амортизаторов, заправленных маслом с большой вязкостью.

При утечке амортизаторной жидкости эффективного гашения колебаний кузова не происходит. Они затухают медленно, а кузов долго раскачивается на упругих устройствах подвески после про­езда неровностей дороги. При неисправных амортизаторах на до­роге с большим числом неровностей колеса автомобиля могут даже отрываться от дороги и терять постоянный контакт с ее поверх­ностью. В результате ухудшается не только плавность хода, но и управляемость, устойчивость автомобиля и, следовательно, без­опасность движения.

Масса перевозимого груза.С изменением массы перевозимого груза меняются подрессоренная масса автомобиля, положение ее центра тяжести, нагрузка на передние и задние колеса и дефор­мация упругих устройств подвески.

Особенно сильное влияние нагрузки на плавность хода наблю­дается у грузовых автомобилей. Нагрузка, приходящаяся на их зад­ние колеса, может изменяться в несколько раз, тогда как на пе­редних колесах она остается почти постоянной. При увеличении нагрузки на задние колеса уменьшается парциальная частота ко­лебаний задней подвески, а парциальная частота колебаний пе-редней подвески практически не меняется. В результате большая разница в парциальных частотах передней и задней подвесок ухуд­шает плавность хода автомобиля.

Дорожные неровности.Причиной колебаний автомобиля явля­ются главным образом дорожные неровности, которые имеют различные очертания в зависимости от типа дороги и состояния ее покрытия.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием встречаются мик­ронеровности (высота 3...5 мм, длина 8... 10 мм) и волны (высота 10... 12 мм, длина 5...8 м), которые могут быть одиночными и чередующимися.

Чередование и распределение неровностей обычно носят слу­чайный характер, особенно на дорогах с покрытиями переходных типов и без покрытий.

Одиночные неровности вызывают свободные колебания авто­мобиля, а чередующиеся — вынужденные колебания. При дли­тельном воздействии неровностей на автомобиль колебания ухуд­шают плавность хода особенно с увеличением скорости и частоты колебаний.

Кроме ухудшения плавности хода колебания, вызываемые до­рожными неровностями, снижают среднюю скорость движения, межремонтный пробег и производительность автомобиля, а так­же приводят к повышению расхода топлива, себестоимости пере­возок и затрат на техническое обслуживание и ремонт автомоби­ля.

Контрольные вопросы

1. Какое влияние оказывает плавность хода автомобиля на водителя,
пассажиров и перевозимые грузы?

2. С помощью каких измерителей оценивают плавность хода автомо­билей?

3. Какие массы называются подрессоренными и неподрессоренными?
Перечислите части автомобиля, относящиеся к этим массам.

4. Какие колебания возникают у автомобиля во время движения по
неровностям дороги?

5. Что представляют собой вибрации автомобиля и каковы причины
их возникновения при движении?

6. Перечислите основные элементы колебательной системы автомо­биля.

7. Дайте определение приведенной жесткости подвески автомобиля.

8. Что означает термин «парциальная частота колебаний»?

9. Какие конструктивные и эксплуатационные факторы оказывают
влияние на плавность хода автомобиля?

ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

Экологичность является одним из важнейших эксплуатацион­ных свойств автомобиля. Она оказывает существенное влияние на состояние окружающей среды, здоровье и жизнь людей, живот­ный и растительный мир. Чем выше экологичность автомобиля, тем меньший вред наносит автомобиль природе, людям, живот­ным и растениям. А вред окружающей среде автомобили наносят большой, приводящий к невосполнимым потерям.