Гашение колебаний кузова автомобиля

На утомляемость едущих в автомобиле, а также состояние чувствительных к тряске грузов влияет количество колебаний кузова после проезда неровности. Желательно поэтому, чтобы количество колебаний было минимальное. Гашение колебаний оценивается коэффициентом (декрементом) затухания колебаний и коэффициентом апериодичности.

Коэффициент з а т у х а н и я представляет собой отношение амплитуд предыдущего и последующего колебаний:

d = , (99)

где d - коэффициент затухания колебаний; Z₀ - амплитуда предыдущего колебания; Z₁ - амплитуда следующего колебания.

Для легковых автомобилей с амортизаторами d = 25...40, для грузовых автомобилей с амортизаторами d = 3,5...6, без амортизаторов - d = 2...2,4.

Колебания кузова гасятся в основном за счет сил трения, создаваемых амортизаторами. В подвеске с листовыми рессорами значительные силы трения при колебаниях автомобиля могут быть также между листами рессор. Но эти силы непостоянны и при небольших амплитудах колебаний могут блокировать рессору, снижая плавность хода. Поэтому сила трения снижается путем смазывания листов, установки между листами пластин из материалов с низкими фрикционными свойствами, а также установкой в подвеске упругих элементов, не имеющих скользящих деталей, например, винтовых пружин, которые и применяются в подвесках современных легковых автомобилей. Для гашения колебаний применяется амортизатор - устройство с достаточно постоянной характеристикой.

Чтобы при наезде на неровность сила, передаваемая от амортизатора на кузов автомобиля была небольшой, усилие при сжатии амортизатора делается в 2...4 раза меньше, чем при растяжении. Гашение колебаний кузова осуществляется в основном при ходе отдачи (разжатии упругого элемента подвески, когда амортизатор растягивается). Вертикальные ускорения от действия амортизаторов на легковых автомобилях не должны превышать = 5 м/с².

Создаваемая амортизатором сила зависит от скорости сжатия или растяжения амортизатора и коэффициента сопротивления:

P = K_{о, с} × V, (100) где P - сила, создаваемая амортизатором, Н; К_{о, с} - коэффициенты сопротивления амортизатора, Н ×с/см; V - скорость сжатия или растяжения амортизатора, см/с.

Коэффициенты сопротивления при сжатии и отбое обозначаются: К_о - коэффициент сопротивления отбоя , К_с - коэффициент сопротивления сжатия. Амортизаторы легковых автомобилей имеют К_с = 8...14 Н×с/см, К_о = 15...30 Н×с/см. Амортизаторы грузовых – К_с= 20...30 Н×с/см, К_о = 40...100 Н×с/см и более (МАЗ-543 – 166 Н×с/см, МАЗ-547В – 230 Н×с/см).

На рис. 161 показана зависимость силы сопротивления амортизатора от скорости его сжатия-растяжения. Этот график называется характеристикой амортизатора. Скорость в точках а и в – 30-31 см/с. Это точки, в которых открываются пепускные клапаны, предохраняющие амортизатор от поломок. С учетом гистерезисных потерь зависимость эта может изображаться в виде замкнутой кривой.

Рис. 161. Характеристика

амортизатора

Проверка амортизаторов с целью установления качества их изготовления проводится на стенде, где записывается рабочая диаграмма амортизатора, показывающая зависимость создаваемого амортизатором усилия амортизатора от хода штока амортизатора при частоте 100 кол/мин (рис. 162).

Ход штока амортизатора при испытаниях – 100 мм, температура амортизатора – 20⁰С, не более. Если заштрихованная на рабочей диаграмме площадь меньше контрольной, амортизатор изготовлен некачественно.

Гашение колебаний кузова автомобиля оценивается, кроме того, коэффициентом а п е р и о д и ч н о с т и колебаний. Оценка ведется с учетом уменьшения частоты колебаний, наступающей после введения трения в колебательную систему, т.е. после установки амортизаторов. Чем больше сопротивление амортизатора, тем ниже частота колебаний.

Рис. 162. Рабочая диаграмма

амортизатора.

Определить частоту колебания кузова автомобиля после установки амортизаторов можно по следующему выражению:

w_o = = ,

где w _o - частота колебаний с амортизаторами; w - частота колебаний без амортизаторов; g = коэффициент апериодичности.

Коэффициент апериодичности определяется как g = h / w, где h - коэффициент относительного сопротивления, коэффициент сопротивления подвески.

Но h = , w = и

где М - подрессоренная масса, приходящаяся на колесо; К _{o, c} - коэффициенты сопротивления амортизатора отдачи и сжатия; с - жесткость упругого элемента подвески.

Отношение предыдущей амплитуды к последующей можно выразить:

d = = = … = е ^{t h} .

После преобразований логарифмический декремент затухания колебаний будет иметь вид:

ln d = 2 p × = = .

Откуда коэффициент апериодичности колебаний:

g = 1/ .

В табл. 30 приведены значения коэффициентов апериодичности колебаний кузовов некоторых отечественных автомобилей при ходе сжатия и отдачи (для полного веса – в числителе, для снаряженного автомобиля – в знаменателе).

Таблица 30

В табл. 31 даны коэффициенты затухания колебаний и коэффициенты апериодичности некоторых отечественных автомобилей.

Таблица 31

На рис. 163 показана зависимость между отношением частот колебаний n₁ /n₂ и коэффициентом апериодичности g, где n₂ – частота собственных колебаний без сопротивления (без амортизатора); n₁ - частота собсвенных колебаний с сопротивлением (с амортизатором).

Рис. 163. Зависимость между отношением

частотколебаний до введениясопротивления

и после и коэффициентом апериодичности

Как следует из расчетов, снижение частоты составляет: при g = 0,2 –2,2%, при g = 0,3 – 4,5 % , при g = 0,4 – 9% , при g = 0,5 – 14% .

Если амортизаторы отсутствуют, например, как обычно бывает в задних подвесках грузовых автомобилей, коэффициент апериодичности менее 0,1. Для шин коэффициент апериодичности равен 0,05…0,106

Амплитудно-частотная характеристика колебаний кузова автомобиля для различных значений коэффициентов апериодичности γ показана на рис. 164.

Рис. 164. Амплитудно-частотная харак теристика колебаний кузова автомобиля

Амплитудно-частотные характеристики переме­щений кузова и колес и ускорений кузова приведенны на рис. 165, а, б и в. Кривые, обозначенные циф­рами 1–5, построены для различных неподрессоренных масс, приходящихся на одно колесо, соот­ветственно 91,8; 61,2; 45,9; 30,6; 153 кг.

Рис. 165. Амплитудно-частотные характеристики

переме­щений кузова и колес автомобиля при

различных неподрессоренных массах:

а – перемещение кузова; б – перемещение колеса;

с - вертикальные ускорения кузова

Гасящие свойства амортизаторов характеризуются количеством превращенной механической энергии колебаний в тепловую. Для двух амортизаторов, установленных на мосту, можно записать:

W = , (101)

где W - количество механической энергии при колебании; C - жесткость подвески; Z- амплитуда колебания.

За один период колебания в тепло превращается энергия:

Δ W = W₁ - W_{i +1} = C ×(Z₁² – Z_i+1² ) , (102)

где W_i и W_i+1 - механическая энергия двух следующих одно за другим колеба-

ний; Z_i , Z_i+1 - амплитуды этих колебаний.

Количество энергии, превращенной в тепло за первое колебание, равно отношению ΔW /W × 100 %, что составляет 99,9 % для подвесок с амортизаторами и 80... 85 % – без амортизаторов. В табл. 29 приведено количество энергии, превращенной в тепло за первый период колебаний.

Таблица 29

А м п л и т у д ы последовательных колебаний при наличии трения могут быть определены:

Z₀ = A × sin a;

Z₁ = A × e ^{–t h} × sin a;

Z ₂ = A × e ^{–2 t h} × sin a ,

.....................…………

где Z₀ , Z₁ , Z ₂ , Z ₃ - амплитуды; А – начальное значение амплитуды; е - основание натурального логарифма (2,73); t - период колебаний, равный 2 p/w₀ ; h - коэффициент относительного сопротивления; a - фазовый угол (для полной амплитуды колебания a = 90⁰).