Плавность хода и колебания автомобиля

Обеспечение требуемого уровня плавности хода в заданных условиях эксплуатации автомобиля является основным функциональным назначением подвески автомобиля. Хотя виброзащитные свойства подвески должны обеспечивать комфортные условия для всех элементов подрессоренной массы автомобиля, нормирование параметров плавности хода автомобиля, в основном, проводится по уровню влияния вертикальных колебаний на организм человека, –водителя или пассажира.

Известно, что на организм человека влияют амплитуда, частота, ускорения и интенсивность ускорений колебательного движения. Однако сам человек оценивает воздействие колебаний автомобиля на свой организм чаще всего субъективно. До сих пор еще не предложен единый объективный параметр для оценки плавности хода автомобиля, с помощью которого можно было бы установить количественную связь между физиологическими воздействиями колебаний на организм человека, характером этих колебаний и конструктивными особенностями автомобиля.

В настоящее время плавность хода автомобиля оценивают с помощью нескольких показателей (измерителей):

– период колебаний (Т) – время в секундах, в течение которого кузов совершает полное колебательное движение (цикл);

– частота колебаний (n) – (Гц) – число колебаний (циклов) в секунду.

– амплитуда колебаний (Z_max (м)) – наибольшее отклонение (перемещение) кузова от положения равновесия;

– скорость колебаний (м/с) – первая производная перемещения (Z) по времени;

– ускорение (м/с²) – вторая производная перемещения (Z) по времени;

– скорость нарастания ускорения

(интенсивность ускорения (м/с³)) – третья производная перемещения (Z) по времени.

Колебания автомобиля можно разделить на высокочастотные (5…13 Гц) и низкочастотные (0,8…2 Гц). Высокочастотные колебания, в основном, наблюдаются у неподрессоренных масс подвески автомобиля, а низкочастотные — у подрессоренной массы автомобиля.

Высокочастотные колебания, даже с малыми амплитудами (тряска, вибрации), вызывают у человека неприятные ощущения. Но и низкочастотные могут быть тоже неприятны, так как могут вызвать ощущения, похожие на морскую болезнь.

Физиологически наиболее привычными для человека являются колебания с частотами, соответствующими колебаниям организма при нормальной ходьбе (1,17…1,66 Гц).

Для современный легковых автомобилей, при хорошем качестве подвески, значение частоты собственных колебаний подрессоренных масс составляет 0,8…1,2 Гц, а для грузовых автомобилей и автобусов – 1,2…1,9 Гц. Такие колебания хорошо переносятся человеком.

Изменение амплитуды колебаний меньше влияет на организм человека, чем их частота. Для оценки совместного влияния амплитуды и частоты колебаний на человека иногда применяют параметр – (Z_max*n^k), где k — показатель степени, зависящий от интенсивности колебаний (k =1,5…2,7). Оптимальное значение этого параметра (0,0065*3^2,7 =0,126 (м*с^k)).

С увеличением скорости колебаний плавность хода автомобиля ухудшается. По степени восприятия колебаний человеком, в зависимости от скорости перемещения их можно разделить на следующие группы:

– неощутимые – V =0,035 м/с²;

– едва ощутимые – V =(0,035…0,1) м/с²;

– вполне ощутимые – V =(0,1…0,2) м/с²;

– сильно ощутимые – V =(0,2…0,3) м/с²;

– неприятные и очень неприятные – V =(0,3…0,4) м/с².

Влияние знакопеременных ускорений на организм человека в большой степени зависит от частоты колебаний. С увеличением частоты даже небольшие ускорения могут вызвать неприятные и даже болевые ощущения:

Частоты колебаний (Гц)	Ускорения перемещений при колебаниях (м/с^2)
неприятные ощущения	болезненные ощущения
	2,3	2,7
1,5	2,1	2,5
	1,9	2,3
	1,7	2,0

Установлено, что предельно допустимые для человека значения ускорений для разных видов колебаний (здоровый мужчина) составляют:

Условия воздействия на организм человека	Направление колебаний
вертикальное	продольное	Поперечное
Медленная ходьба	1,0	0,6	0,5
Удобная езда	2,5	1,0	0,7
Непродолжительное	4,0	2,0	1,0

При частотах, которые имеет колеблющийся кузов автомобиля, наибольшее влияние на плавность хода оказывает скорость изменения ускорений. Беспокойные ощущения возникают при 25 м/с³, а неприятные – при 40 м/с³. следовательно, при движении автомобиля скорость нарастания ускорений (интенсивность ускорения) не должна превышать 25 м/с³.

Рассмотрим простейшую модель свободных колебаний тела (автомобиля) (рис. 1). При равновесии тела массой m установленного на пружине, с жесткостью С, возникает статическая деформация (прогиб) пружины — . При выведении тела из равновесия за счет сжатия пружины и последующем его отпускании, оно начнет совершать свободные (собственные) колебания с некоторой частотой n (частотой собственных колебаний). Эти колебания будут также характеризоваться периодом – Т и амплитудой – Z_max.

Рис. 1. Динамическая модель собственных колебаний массы автомобиля с

одной степенью свободы:

I – положение тела (m) при свободной пружине;

II – равновесное положение тела (статическое);

III – положение тела перед началом собственных колебаний (пружина сжата).

Во время колебаний тело будет двигаться неравномерно. При этом одновременно будут изменяться его положение (Z), скорость (V), ускорение (j) и интенсивность ускорения (j ^I). Причем характер их изменения будет примерно одинаков.

Установим связь между параметрами собственных колебаний данного тела.

Дифференциальное уравнение колебательного движения для данного случая будет иметь вид:

. Откуда .

Величина представляет собой угловую частоту свободных (собственных) колебаний тела (). Тогда уравнение движения тела (массой m) при сводных колебаниях, запишется в виде: Z=Z_max sin ( t).

Из этой формулы выразим основные показатели (измерители) плавности хода при гармонических колебаниях:

– скорость колебаний – (м/с);

– ускорение колебаний – (м/с²);

– скорость нарастания ускорений – (м/с³).

Угловую частоту свободных (собственных) колебаний (w) и частоту колебаний (n) связывает равенство: .

Подставив сюда значение жесткости, получим:

.

То есть, чем больше статический прогиб пружины, тем меньше частота собственных колебаний тела, и тем лучше, следовательно, комфортабельность езды на автомобиле.

При движении автомобиля его подрессоренная масса совершает свободные колебания, которые дополняются случайным образом воздействующими на нее возмущениями (колебаниями) от неровностей дороги. В практике оценки общей интенсивности колебаний подрессоренной массы автомобиля, некоторыми специалистами широко применяется такой критерий, как – дисперсия ускорения колебаний (как случайной величины) при движении по заданной дороге. Этот критерий, на их взгляд, является наиболее интегральным и учитывающим практически весь спектр воздействующих колебаний.

Дисперсия является статистически хорошо определяемой величиной, что позволяет с ее помощью оценивать влияние изменений конструктивных параметров автомобиля и его подвески на плавность хода.

Вспомним, что такое дисперсия. Дисперсия случайной величины (в данном случае ускорения перемещений при колебаниях) – это математическое ожидание квадрата отклонения случайной величины от ее математического ожидания: — , т. е. ее центральный момент второго порядка:

.

Дисперсия характеризует рассеяние случайной величины около ее математического ожидания. Если D_j =0, то случайная величина сводится к постоянной величине.

Существует стандарт ИСО № 2631, который устанавливает допустимые среднеквадратические отклонения ускорений собственных колебаний () в диапазоне (1…80) Гц при продолжительности их действия 8 часов (рис. 2).

Границы 1 – 1¹ определяют предельные значения, при превышении которых снижается производительность труда человека.

Границы 2 – 2¹ — безопасные условия труда, границы 3 – 3¹ — нарушение комфорта.

Таким образом, из вышесказанного можно сделать вывод, что при движении автомобиля по неровной дороге колебание его кузова (подрессоренной массы) происходит не со случайно меняющимися частотами, а с частотами собственных колебаний.

Снижение этих частот способствует понижению ускорений перемещений при колебаниях кузова во время движения по неровным дорогам, т.е. приводит к улучшению плавности хода автомобиля.

При хорошем качестве подвески наиболее комфортные (хорошо переносимые человеком) частоты собственных колебаний кузова должны быть в интервале:

— легковые автомобили – (0,8…1,2) Гц;

— грузовые автомобили – (1,2…1,9) Гц.

---

Дата добавления: 2015-07-26