Тема 9Тема 9 Плавность хода, вибрации и шум

ОпределенияПод плавностью хода понимают совокупность свойств, обеспечивающих ограничение в пределах установленных норм вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов, элементов шасси и кузова. Нормы вибронагруженности устанавливаются такими, чтобы на дорогах, для которых предназначен автомобиль, в диапазоне эксплуатационных скоростей вибрации водителя и пассажиров не вызывали у них неприятных ощущений и быстрой утомленности, а вибрации грузов, элементов шасси и кузова — их повреждений.Основными источниками возникновения вынужденных колебаний являются взаимодействие колес с неровностями дороги, геометрическая и силовая неоднородность шин; неравномерность вращения колес.Выступы и впадины, имеющие длины волн от 100 м до 10 см, условно называют микропрофилем дороги. Он является основным источником сил, вызывающих колебание автомобиля на подвеске. Мелкие неровности структуры дорожной поверхности с длиной волн менее 10 см называют шероховатостью. Они могут возбудить высокочастотные вибрации отдельных элементов шасси и кузова и связанные с этими вибрациями шумы внутри кузова и внешний шум, издаваемый автомобилем.

Оценочные показатели и нормы Основными устройствами, защищающими автомобиль, водителя, пассажиров и грузы от чрезмерно больших динамических воздействий дороги и ограничивающими их вибронагруженность допустимым уровнем, являются подвеска и шины, а для пассажиров и водителя также упругие сиденья.Водитель и пассажиры оценивают плавность хода субъективно на основе собственных ощущений. Ощущения людей и наступающее утомление обычно связывают с ускорениями колебаний и их повторяемостью. Наиболее простым оценочным показателем плавности хода может служить частота собственных колебаний кузова. Экспериментально установлено, что условием хорошей плавности хода является совпадение величин собственных частот колебаний со средней частотой шагов (60...90 в мин) человека, что соответствует 1...1,5 Гц,Для более точной характеристики плавности хода необходимо оценивать параметры не только собственных, но и вынужденных колебаний, в том числе и случайных.Основными оценочными показателями плавности хода являются уровни вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов и характерных элементов шасси и кузова. Оценка уровня вибронагруженности производится по средним квадратическим значениям ускорений колебаний (виброускорений) или скоростей колебаний (виброскоростей) в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Средние геометрические значения частот полос, Гц 1 2 4 8 16 31,5 63

Допустимые значения виброускорений, м/с2:

вертикальных горизонтальных

1,1 0,39

0,790,42

0,57 0,8

0,6 1,62

1,14 3,2

2,26 6,38

4,49 12,76

Допустимые значения виброскорости, м/с (дБ):

вертикальной 0,2

(132)0,071 (123)

0,025 (114)

0,013 (108)

0,011 (107)

0,011 (107)

0,011 (107)

горизонтальной 0,063 (122)

0,035 (117)

0,032 (116)

0,032 (116)

0,032 (116)

0,032 (116)

0,032 (116)

Уровни вибронагруженности

В документах, регламентирующих требования к показателям плавности хода автомобилей различных категорий, указываются как места замера виброскоростей или виброускорений, так и диапазон скоростей, при которых они не должны превышать своих предельных значений на дорогах с различными характеристиками и состоянием поверхности. В тех случаях, когда реальные значения среднего квадратического ускорения превышают нормативные, время работы, при котором сохраняется работоспособность и вызываемое вибрацией утомление не ведет к снижению производительности труда, уменьшается с 8 ч до следующих значений: при превышении допустимых норм в 1,4 раза — до 2 ч, в 2 раза - до 1 ч, в 4 раза — до 15 мин.Для предупреждения перемещений незакрепленных грузов необходимо, чтобы вертикальные ускорения пола грузовой платформы не превышали g. Исходя из этого значения средних квадратических виброускорений с учетом необходимого запаса не должны превышать 0,15…0,3g. Большее значение является границей при испытаниях с малой скоростью с целью выбраковки.

Автомобиль как колебательная системаАвтомобиль является сложной механической системой, состоящей из большого числа масс с различными связями.При изучении законов движения сложных механических систем вводят понятие числа степеней свободы, под которым понимают сумму независимых перемещений элементов системы, каждый из которых рассматривается как твердое тело. Движение механической системы может быть описано системой дифференциальных уравнений второго порядка, число которых равно числу степеней свободы.Описание колебаний автомобиля, и число учитываемых степеней свободы показанной на рис. для седельного автопоезда включает шесть масс (массы обозначены m, упругие элементы — с, демпфирующие элементы - k).К подрессоренным массам относятся: mв - водителя и пассажиров в кабине; mтпд — кузова тягача (включает массу полезной нагрузки) и рамы с укрепленными на ней двигателем, механизмами трансмиссии и управления; mппд — рамы полуприцепа с укрепленными на ней элементами (включает массу полезной нагрузки, расположенной на грузовой платформе полуприцепа). К неподрессоренным массам относятся массы переднего и заднего мостов тягача (mт1нп и mт2нп) и моста полуприцепа mпнп.

Схема колебательной системы седельного автопоезда

Упрощенная схема колебательной системы двухосного автомобиля

Для изучения колебаний в первом приближении удобнее пользоваться упрощенной колебательной системой с тремя массами. Подрессоренная масса mпд включает массу кузова, двигателя, механизмов трансмиссий, пассажиров,

водителя (у грузового автомобиля грузовую платформу, полезную нагрузку). Эти элементы в совокупности рассматривают как твердое тело, имеющее две степени свободы - перемещение в вертикальном направлении и поворот в вертикальной плоскости. Неподрессоренные массы m1нп и m2нп (передний и

задний мосты вместе с колесами) имеют по одной степени свободы — вертикальные перемещения. Таким образом, система, имитирующая в рассматриваемом случае двухосный автомобиль, имеет четыре степени свободы.

Как подрессоренные, так и неподрессоренные массы совершают сложные двухчастотные колебания. Двухосный автомобиль имеет четыре собственные частоты две низкие (Ω01 и Ω02) и две высокие (Ωк1 и Ωк2).

.m/)cc(

;m/с

нпшpк

пдp0

Характерны следующие соотношения жесткостей; легковые автомобили особо малого класса сш/ср =3...4; легковые автомобили малого и среднего класса сш/ср=7...10; легковые автомобили высшего класса сш/ср=10...20; грузовые автомобили сш/ср=2,5...5.При расчетах удобно выражать частоту колебаний подрессоренной массы через статический прогиб fс подвески. Статическим прогибом называют перемещение колес относительно кузова за счет деформации упругого элемента подвески под действием силы тяжести

fc=mпдg/cp У современных легковых автомобилей: для передней подвески fс =15…25 см; для задней подвески fс =12…18 см.У грузовых автомобилей: для передней подвески fс=7,5…10 см, для задней fс =7…12 см.

Обычно у легковых автомобилей в любом весовом состоянии для задней и передней подвесок mпд/mнп>4. У грузовых автомобилей с полной нагрузкой это соотношение выполняется для задней подвески. Без нагрузки во многих случаях mпд/mнп<4 и погрешность расчета Ωк может достигать нескольких процентов (в наиболее неблагоприятных случаях до 10%).Подвеску автомобиля можно считать удовлетворительной, если частота колебаний подрессоренных масс Ω0 для легковых автомобилей составляет 0,8...1,3 Гц (50...78 мин-1); для грузовых автомобилей — 1,2...1,8 Гц (75...110 мин-1), а частота колебаний неподрессоренных масс Ωк для легковых автомобилей 8...12 Гц (500...750 мин-1), для грузовых автомобилей 6,5...9 Гц (400...550 мин-1).

Свободные колебания с учетом затуханияПрактически в процессе колебаний всегда происходит рассеяние энергии и поэтому свободные колебания (т.е. колебания, в процессе которых после первоначального возмущения к системе энергии не подводится) являются затухающими.Силы сопротивления, вызывающие превращение механической энергии в теплоту, что приводит к затуханию колебаний, различны по своей природе. В подвеске эти силы возникают в результате работы амортизаторов, межлистового трения в рессорах, трения во втулках, шарнирах и др. Рассеяние энергии происходит также и в результате деформаций шин.Коэффициент неупругого сопротивления подвески k характеризует ее способность рассеивать механическую энергию, запасенную упругими элементами подвески в результате деформации их внешними силами (превращать механическую энергию в тепловую). Он численно равен силе неупругого сопротивления, возникающей при перемещении подрессоренной массы относительно неподрессоренной со скоростью 1м/с. Размерность коэффициента k — Нс/м. При наличии в колебательной системе сопротивлений, пропорциональных скорости колебаний, отклонения убывают по геометрической прогрессии, имеющей знаменатель p=exp2πψ0. Где ψ0 относительный коэффициент затухания колебаний подрессорной массы)

У современных автомобилей с удовлетворительными гасящими свойствами ψ0=0,15...0,25; ψк=0,25...0,45. При таких значениях ψ0 и ψк затухание колебаний происходит достаточно быстро. В настоящее время на некоторых автомобилях находят применение гидропневматические подвески, позволяющие значительно снизить частоты колебаний подрессоренных масс (до 0,5...0,8 Гц для легковых и 0,8...1,2 Гц для грузовых автомобилей). В этих случаях применяют амортизаторы со значительно большими относительными коэффициентами затухания (ψ0=0,6...0,4). Применение подвесок с такими характеристиками позволяет существенно повысить скорости движение по дорогам с большими неровностями при условии обеспечения значений виброскоростей и виброускорений подрессоренных и неподрессоренных масс, не превышающих нормативные.

Вынужденные колебанияПри движении на автомобиль через его колеса действуют переменные по величине силы взаимодействия с дорогой. Колебания системы под действием переменных сил называются вынужденными.Характеристики этих колебаний определяются сочетанием свойств колебательной системы и законов изменения внешних вынуждающих сил.

Вибрации и шумКроме колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс, вызываемых взаимодействием колес с неровностями микропрофиля дороги при движении автомобиля, возникают еще вибрации отдельных элементов его шасси и кузова в широком диапазоне частот от единиц до нескольких тысяч герц. Воздействие вибраций может существенно ухудшать комфортабельность, вызывать неприятные ощущения, преждевременное утомление и снижение производительности труда, повышенное напряжение некоторых элементов шасси и кузова.Особенно вредным является создаваемый этими вибрациями шум как внутри автомобиля (в кузовах пассажирских и кабинах грузовых), так и на улицах городов и автомобильных дорогах.

Уровни шума измеряются специальными электронными приборами - шумомерами. Допустимые уровни внешнего и внутреннего шума (в дБ) автомобилей, регламентированные ГОСТ 27436—87 и ГОСТ 27435—87, приведены ниже.

Шум Внешний Внутренний

Автомобили:легковые 82 80

грузовые категории N2, N3 89, 91 84

Автобусы 89,91 82

Контрольные вопросы1. Какие основные понятия и определения используют

при изучении раздела Плавность хода?2. Что такое плавность хода автомобиля?3. Что называют микропрофилем дороги, а что

шероховатостью?4. Оценочные показатели и нормы плавности хода?5. Что представляет собой автомобиль как

колебательная система?6. Что называют статический прогибом подвески?7. Какие качества характеризует коэффициент

неупругого сопротивления подвески?8. Какие колебания называют вынужденными?9. Чем вызваны вибрации и шум при движении

автомобиля?