Требования к плавности хода автомобиля

Под плавностью хода автомобиля понимается его способность двигаться по неровным дорогам с минимальными вертикальными перемещениями и ускорениями, носящими колебательный затухающий характер.

Колебания вызывают утомление водителя и пассажиров, износ и поломки деталей автомобиля и влияют на сохранность груза. Если плавность недостаточная, водитель снижает скорость, уменьшая тем производительность автомобиля. На разбитых дорогах производительность может снизиться на 40... 50%, межремонтный пробег уменьшиться на 35...40 %, расход топлива увеличиться на 50...70%, себестоимость перевозки возрасти на 50...60 % .

За многовековую историю развития человеческий организм приспособился к колебаниям с ч а с т о т о й, какая бывает при ходьбе, т.е. порядка 60 кол/мин. Создавая автомобиль, конструктор должен стремиться, чтобы кузов, где размещаются водитель и пассажиры, имел бы частоту колебаний, близкую к этой величине.

Значительные отклонения как в сторону увеличения от этой частоты, так и уменьшения переносятся болезненно. Колебания с частотой выше 100...120 в минуту воспринимаются как жесткие удары, а при частоте ниже 40...45 наступает морская болезнь. Поэтому частота колебаний кузова легкового и кабины грузового автомобилей не должна выходить за указанные пределы.

Установлено, что кузов автомобиля при движении колеблется в основном с собственной частотой, т.е. частотой, определяемой жесткостью упругих элементов подвески автомобиля. Колебания с вынужденной частотой (частотой воздействующих неровностей дороги) бывают сравнительно редко и потому обычно не рассматриваются. С учетом этого, требования к подвеске можно выразить следующим образом.

Если период колебаний в секундах обозначить “Т”, частоту колебаний в минуту “n”, то

n = ; откуда Т = ; но Т = ; w = = ,

где w - угловая частота, рад/с, может быть определена с помощью известного выражения.

w = , (95)

где с – жесткость упругого элемента, Н/см; М – подрессоренная масса, кг.

Жесткостью называется величина силы, отнесенная к единице деформации упругого элемента. Определить жесткость подвески можно, если разделить приходящийся на колесо вес автомобиля на вертикальное смещения кузова автомобиля под действием этого веса. Для легковых автомобилей жескость подвески равна 40-50 кгс/см, для грузовых – 200-400 кгс/см, если автомобидь без груза и 800 и более – с грузом.

Подставив в предыдущую формулу выражения для определения жесткости и массы, запишем:

n= × = × = , (96)

где f _ст- с т а т и ч е с к и й х о д подвески, см; G – сила тяжести, приходящееся на колесо, Н; g– ускорение свободного падения, 981 см/с².

Под статическим ходом подвески понимается вертикальное смещение кузова автомобиля под действием силы тяжести при деформации упругих элементов подвески. Если упругий элемент был предварительно поджат, величину поджатия нужно добаить к смещению кузова с учетом передаточного числа подвески.

В независимой подвеске её статический ход может значительно превышать статический прогиб упругого элемента, например, пружины в двухрычажной подвеске. В зависимой подвеске статический ход равен прогибу.

Таким образом, чтобы получить частоту собственных колебаний n = 60 кол/мин, статический ход подвески должен быть:

f _ст = = = 25 см.

Статический ход (см) передних подвесок некоторых автомобилей с полной нагрузкой приведен в табл. 27.

Таблица 27

Как следует из приведенных значений, за исключением легковых автомобилей высшего класса статические хода подвесок особенно грузовых автомобилей значительно меньше, чем требуется для обеспечения частоты 60 кол/мин. Малоллитражные легковые автомобили, а также автомобили среднего литража имеют частоту колебания кузова 70...80 кол/мин (1,1...1,3 Гц). Грузовые автомобили - 90...120 кол/мин (1,5...2 Гц).

Частота колебаний может оцениваться также угловой скоростью – рад/с, что рассмотрено ниже.

Известно, что высота расположения тела, свободно колеблющегося на упругом элементе, изменяется также, как изменяется проекция тела на вертикальную плоскость при его вращении на подвесе длиной, равной амплитуде колебания (рис. 150).

Поэтому для описания колебательного процесса используются зависимости и характеристики вращательного движения. Так вместо частоты колебаний в минуту определяется угловая частота в радианах в секунду, которая записывается как 1/с :

w = = = . (97)

Для легковых автомобилей высшего класса величина w = 5...7 1/с, для массовых легковых w = 8...10 1/с, для грузовых w = 11 и более 1/с. Один радиан 360/2p = 57,3 градусов.

При колебаниях скорость вертикальных перемещениях и вертикальные ускорения могут быть определены как первая и вторая производные от перемещения по времени. С использованием рис. 150 запишем:

Z = Z_max sin wt – вертикальное перемещение при колебании;

= Z_max w cos wt – скорость при вертикальном перемещении;

= – Z_max w² sin wt – ускорение при вертикальном перемещении.

Рис. 150. Способ подвеса

Показанная на рис. 150 величина А здесь записана как Z_max , t – время от начала колебания (обычно – от верхнего положения) в секундах.

При наезде на неровность упругий элемент подвески сжимается дополнительно. Ход подвески при этом называется д и н а м и ч е с к и м . Последний должен быть достаточным, чтобы на разбитых дорогах мост или рычаг подвески, поднимаясь, не ударяли об ограничитель. Такой удар называется пробоем подвески. С появлением пробоев водитель снижает скорость. Из-за существующих конструктивных трудностей динамический ход обычно не превышает 10 см как на легковых, так и на грузовых автомобилях и потому не всегда является удовлетворительным.

График, показывающий зависимость между нагрузкой, приходящейся на колесо, и величиной хода подвески называется у п р у г о й х а р а к т е р и -

с т и к о й подвески (рис. 151). Для стальных упругих элементов эта зависимость, как правило, линейная. На рисунке она отмечена цифрой 1. Подвеска поэтому называется линейной.

Чтобы снизить вероятность пробоя, жесткость подвески в конце хода сжатия должна быть увеличена, что на рис. 151 отмечено цифрой 2. Такая зависимость называется прогрессивной. Получить её можно, например, путем введения в конструкцию под вески резиновых буферов, создающих дополнительные усилия в конце хода сжатия, использования специальной формы кронштейнов крепления листовых рессор, сокращающих рабочую длину рессоры при её прогибе, применения в подвеске конусных и бочкообразных пружин вместо цилиндрических и т.п.

Для исключения пробоев подвески необходимо, чтобы отношение усилия на колесе автомобиля в конце динамического хода к усилию в конце статического хода было не менее: на легковых автомобилях - 1,6 …1,7, на грузовых дорожных автомобилях – 2...2,5, на автомобилях высокой проходимости – 3…4. Без выполнения этого условия движение автомобиля на неровных дорогах затруднено из-за частых и сильных ударов в ограничитель, при которых водитель вынужден снижать скорость.

Лучшей упругой характеристикой считается та, кривая которой на графие имеет малый наклон в точке, соответствующей статическому ходу (прогибу), и большие наклоны по концам (рис. 152). Желательно, чтобы при ± 60 % хода от статического положения жесткость упругого элемента увеличивалась не более, чем на 20%..

Рис. 151. Упругие характеристики Рис. 152. Упругая характериподвески: 1 – линейная; 2–прогрессивная стика пневмобаллона подвески

Пневматическая подвеска автобуса ЛИАЗ-677 позволяет иметь характеристику, близкую к указанной. В этом случае обеспечивается высокая плавность и отсутствие пробоев.

Значительное улучшение плавности дает применение длинноходной подвески, т.е. подвески с большими статическим и динамическим ходами. Проведенные в НАМИ исследования показали, что грузовой автомобиль ГАЗ-52 с подвеской, статический ход которой был 25 см и динамический – 30 см, мог двигаться по ухабистой дороге со скоростью 50 км/ч, тогда как скорость автомобиля с серийной подвеской не превышала 20 км/ч.

Подвески с увеличенной длиной ходов появились в последнее время на серийных грузовых автомобилях. Так на автомобиле ЗИЛ-4331 используются удлиненные передние рессоры, существенно увеличивающие ход подвески и снижающие таким образом собственную частоту колебаний передней части автомобиля, где располагается подрессоренная кабина. Совместно с подрессоренным сидением для водителя в кабине созданы достаточно хорошие условия.

Установлено, что передняя и задняя части автомобиля колеблются независимо друг от друга с собственными частотами, определяемыми статическими ходами их подвесок. Поэтому для грузового автомобиля для обеспечения хорошей плавности достаточно снижать жесткость передней подвески. Подробности об этом ниже.

Другим оценочным параметром плавности хода автомобиля являются его вертикальные у с к о р е н и я при колебаниях, величина которых должна быть по возможности меньше.

Порогом минимальных ускорений, замечаемых человеком, являются ускорения величиной 0,11...0,12 м/с². Вертикальные ускорения на сидениях автомобиля, движущегося по асфальтированным дорогам, бывают до 2...3 м/с², а по грунтовым дорогам – до 10...15 м/с². Вертикальные ускорения кузова грузового автомобиля значительно выше и достигают 5 g и более (g - ускорение свободного падения).

На самочувствие человека влияют не только величина ускорения, но и количество их повторений. Так, если на одном километре пути количество колебаний с ускорениями до 7 м/с² не превышает десяти, плавность считается приемлемой. Если количество колебаний на 1 км пути с ускорениями до 3 м/с² не более 15, плавность считается хорошей.

Колебания кузова возбуждаются у д а р н ы м и м п у л ь с о м, который может быть определен как:

P = , (98) где С - жесткость подвески; Z - ход подвески; Т - время проезда неровности.

Таким образом, если скорость автомобиля в 2 раза выше, то передаваемый на автомобиль от неровности дороги ударный импульс, будет тоже в 2 раза меньше. Отсюда меньше будет и амплитуда колебания автомобиля.