Плавность хода автомобиля

Под плавностью хода автомобиля подразумевается его способность к поглощению толчков, ударов и вибраций, возникающих при движении. Плавность хода является важным эксплуатационным качеством, оказывающим влияние на самочувствие человека (пассажиров), сохранность перевозимых грузов, безопасность движения, долговечность машины. Плавность хода зависит от характера и величины возмущающих сил, вызывающих колебания, общей компоновки машины и отдельных ее конструктивных особенностей, главным образом от системы подрессоривания, а также от мастерства вождения.

Возмущающие силы могут возникать под действием внутренних и внешних причин. К внутренним причинам относятся неуравновешенность деталей и неравномерность их вращения. Из внешних причин наибольшее значение имеют неровности пути. Под влиянием внутренних причин возникают главным образом высокочастотные колебания – вибрации, влияние которых на пассажиров не столь значительно. Поэтому плавность хода рассматривается с точки зрения воздействия, оказываемого неровностями пути.

Влияние колебаний и вибраций на человека

При движении автомобиля его кузов испытывает колебания и вибрации, которые организм человека переносит по-разному. Колебания с низкой частотой (до 900…1100 кол/мин) воспринимаются человеком как отдельные циклы изменения нагрузки или положения. Колебания более высоких частот воспринимаются слитно и называются вибрациями. Частота колебаний кузова на рессорах лежит в пределах от 80 до 150 кол/мин, частота колебаний осей между рессорами и землей (шинами) равна 360…900 кол/мин. Вибрации двигателя, трансмиссии и кузова происходят с частотой 1000 …4200 кол/мин.

Организм человека воспринимает вибрации или через их звуковые проявления или непосредственно как силовые воздейчтвия. В атомобиле пассажир изолирован от непосредственного силового воздействия вибрации подушками. Только ноги на полу могут воспринимать эти вибрации,силовые воздействия которых почти полностью устраняются применением упругих ковриков на полу. Наибольшее влияние на организм человека оказывают колебания кузова. Колебательный процесс характеризуется частотами, амплитудами, скоростью колебания, ускорениями и скоростью изменения ускоренияй.

Для повышения комфортабельности автомобиля необходимо по возможности уменьшить амплитуду колебаний. При амплитудах колебаний меньших 35…40 мм, амортизационная способность человеческого организма полностью устраняет колебания головы. Большие амплитуды вызывают колебания головы, что приводит к неприятным ощущениям и быстрой усталости.

Частота колебаний более существенно влияет на организм человека. Для установления частот, к которым привык человек, можно подсчитать число колебаний, испытываемых им при ходьбе.

Приняв шаг человека в среднем равным 0,75 м, получаем:

Частота колебаний современных автомобилей, наиболее совершенных по качеству подвески, лежат в пределах очень близких к этим цифрам. Установлено, что снижение числа колебаний ниже 50 кол/мин часто вызывает у пассажиров явление «морской болезни», а превышение 130 кол/мин - приводит к ощущению резких толчков.

На ощущения человека при колебаниях – его энергетические затраты и нервные нагрузки – могут оказывать существенное влияния разные параметры колебательного процесса, в зависимости от частоты колебаний. При частотах до 4…6 кол/мин, в пределы которых полностью укладывается весь низкочастотный диапазон колебаний автомобиля, ощущения в первую очередь пропорциональны ускорениям при колебаниях. Поэтому для оценки плавности хода автомобилей наиболее распространенным измерителем являются вертикальные ускорения, определяемые в характерных точках колебательной системы. По величине вертикальных ускорений кузова автомобиля можно также судить о сохранности перевозимого груза. Если ускорения кузова больше g=9.81 м/с², то незакрепленный груз отрывается от пола и затем падает обратно. При оценке плавности хода по ускорениям необходимо, кроме величины ускорений, учитывать их повторяемость. Совокупный учет этих факторов соответствует взглядам физиологов на утомление, как на явление, связанное с интенсивность и частотой внешних раздражителей. Следует отметить также, что при частотах колебаний кузова до 5…6 кол/мин на ощущения человека оказывает заметное влияние скорость ускорений, т.е. третья производная перемещений по времени. По данным профессора А.К.Бируля, скорости изменения ускорений до 25 м/с² вызывает беспокоящие ощущения, а при 40 м/с² – неприятные ощущения.

Исходя из указанных предпосылок, Я.И.Бронштейном предположена для практической оценки плавности хода автомобиля пятибалльная шкала, в которой соответствующий бал присваивается исходя из числа толчков и их интенсивности (величины максимальных ускорений), испытываемых автомобилем при прохождении в заданных дорожных условиях расстояние 1 км.

Таблица Шкала оценки плавности хода автомобиля

Если, например, ускорения достигают значений 3…5 м/с², то плавность хода признана хорошей при условии, что число соответствующих им толчков не больше чем 1…2 на км пути. Если при наличии таких же же максимальных ускорений число толчков будет 10…12, то плавность хода автомобиля на данной дороге может быть расценена как посредственная.

Динамика машин с упругими звеньями

С развитием техники все чаще возникает ситуация, когда использование простейших динамических моделей с жесткими звеньями становится неприемлемым и приходится обращаться к более сложным моделям, учитывающим упругость звеньев. Такое расчетное моделирование связано с интенсификацией технологических процессов и ростом рабочих скоростей машин, что приводит к увеличению уровня параметров колебательных явлений. Учет упругих свойств, звеньев используемых в машинах, позволяет решать новый класс динамических задач.

В современных условиях также большую роль приобретают экологические проблемы, сопутствующие работе машин, решение которых должно гарантировать надежную защиту людей (груза) от колебательных явлений и вибрации.

Наконец с помощью упругих элементов машин удается рациональным образом формировать колебательные процессы, создаваемые внешними условиями движения машин по дорогам сложного профиля.

При учете упругости звеньев необходимо рассматривать все разновидности механических колебаний, а именно со свободными колебаниями возникающими за счет начальных условий (начальное отклонение от положения равновесия); вынужденными колебаниями под действием переменных вынуждающих сил, зависящих от времени; параметрические колебания, связанные с изменениями во времени инерционных и упругих характеристик; автоколебания, представляющие собой установившиеся колебательный процесс, поддерживаемый неколебательным источником энергии.

Характеристики упругих элементов и их приведение

Важной характеристикой любого упругого элемента при продольных деформациях является коэффициент жесткости С=|¶F/¶x|, где F – восстанавливающая сила, х = деформация. При крутильных деформациях С=|¶M/¶j|, где М - восстанавливающий момент, а j -угловая деформация. В первом случае коэффициент жесткости имеет размерность Н/м. а во втором - Н∙м. Обратную величину е = С^-1 называют коэффициентом податливости.

На рис. …..а представлены типичные графики 1-3 восстанавливающей силы F(х), которым соответствуют графики С(х), показанные на рис б. Очевидно, что для линейной характеристики С = const. Вид функции С(х) определяется материалом и конструктивными особенностями упругого элемента. Так, например, в рабочем диапазоне напряжений металлы обычно подчиняются закону Гука (кривая 1), в то время как для резины более свойственна жесткая характеристика (кривая 2), а для многих полимеров – мягкая характеристика (кривая 3). Однако в конструкциях, состоящих только из металлических деталей, также возможно возникновение нелинейных восстанавливающих сил. В частности, это наблюдается при точечном или линейном контакте двух поверхностей, что характерно для элементов высших кинематических пар. В этом случае контактная жесткость увеличивается с ростом нагрузок.

Помимо перечисленных причин нарушение линейной характеристики восстанавливающей силы может произойти из-за использования специально выбранных нелинейных упругих элементов – конических пружин, нелинейных муфт, из-за подключения или отключения каких либо элементов кинематической цепи, наличие зазоров в кинематических парах, установки упоров, фиксаторов и других факторов.

Нередко, однако, нелинейные факторы в общем балансе жесткостей оказываются малосущественными. Кроме того, при исследовании малых колебаний, происходящих в окрестности некоторого равновесного состояния системы Х₀, нелинейные упругие характеристики могут быть линеаризованы. Действительно, пусть Х=Х₀+∆Х, где - ∆Х отвечает малым колебаниям около положения Х₀ (см рис а). Тогда, разлагая функцию F(x₀+∆x) в ряд Тейлора, имеем

Ограничиваясь первыми двумя членами ряда, получаем, что

Это означает, что нелинейную характеристику в окресности точки приближенно заменяем касательной в этой точке. Разумеется, чтобы такая замена была правомерной, необходимо, чтобы функция в окресности точки была непрерывной и дифференцируемой. При нарушении этого условия упругие характеристики называют существенно нелинейными.

Заметим, что необходимость учета нелинейностей обычно связана с рассмотрением таких динамических процессов, при которых происходят значительные деформации упругих элементов, либо в тех случаях, когда целью исследования являются специфические эффекты, свойственные только нелинейным системам.

Приведение упругих характеристик, как правило, имеет своей целью упрощение модели и возможно лишь в том случае, когда деформации всех упругих элементов зависят от одной и той же обобщенной координаты.

Например. Задача приведения параллельно соединенных упругих элементов к одному упругому элементу С_пр.

Отличительным свойством параллельного соединения является равенство абсолютных значений деформаций: |x₁| = |x₂| =…= |x_n| = |x|.

При приведении не должен нарушаться баланс потенциальной энергии системы. Для одного элемента i при деформации x_i восстанавливающая сила равна F_i = - c_i∙x_i? Что отвечает потенциальной энергии

Отсюда

следовательно, приведенный коэффициент упругости имеет вид:

При последовательном соединении имеем равенство абсолютных значений сил |F_i|=|F|.

Аналогичным образом получаем приведенную податливость (е_пр) системы упругих элементов:

где

При параллельном соединении определяющую роль деформационного смещения играют наиболее жесткие элементы, а при последовательном соединении – наиболее податливые элементы.

Теорема Лагранжа-Дирихле. Если система, находящаяся в консервативном силовом поле и подчиненная голономным идеальным и стационарным связям имеет в положении равновесия min потенциальной энергии, то это положение является устойчивым.

Представление кинетической и потенциальной энергии в виде квадратичных форм:

Кинетическая энергия

Потенциальная энергия

Где A_ik- инерционный коэффициент;

C_ik- квазиупругий коэффициент;

Н – число степеней свободы механической системы;

q_i, q_k – число обобщенных координат.

Модель расчета движения платформы автомобиля с упругими элементами (рессорами) - определение условий комфортности перемещения пассажиров или груза.

1. Число степеней свободы платформы автомобиля в плоской системе координат: подпрыгивание, галопирование. Платформа имеет два независимых перемещения Н =2.

2. Выбор обобщенных координат:

q₁ – подпрыгивание, перемещение центра масс платформы вдоль оси Z; q₁= Z.

q₂ – галопирование, вращение платформы вокруг центра масс; q₂= j.

Координаты состояния краевых точек платформы автомобиля вдоль оси Z:

3.Кинетическая энергия механической системы (платформы автомобиля при движении с упругими элементами):

),

Инерционные коэффициенты определятся из уравнения кинетической энергии а₁₁= m; а₂₂= J; а₁₂= 0.

4. Потенциальная энергия механической системы (платформа автомобиля при движении с упругими элементами):

Слагаемое приведенного уравнения определяется как коэффициент жесткости упругого элемента умноженного на квадрат деформации.

Подставляя координаты, состояния крайних точек платформы автомобиля, получаем уравнение состояния квадратичной формы потенциальной энергии:

[

Производим расчет уравнения. Возводим в квадрат. Раскрываем скобки и группируем коэффициенты по номерам обобщенных координат. Полученные значения определяют требуемые коэффициенты жесткости.

С₁₁= С₁ + С₂; С₂₂= С₁L₁² + С₂L₂²; С₁₂= С₁L₁- С₂L₂.

5. Работа на возможном перемещении платформы при движении с упругими элементами (рессорами):

Из уравнения оцениваем значения обобщенной силы для поступательного движения и вращательного движения:

Состояние механической системы платформы в форме дифференциальных уравнений Лагранжа для поступательного и вращательного движения имеет вид:

Уравнение, определяющее состояния комфортности, имеет вид:

Схема колебательной системы автомобиля

При исследовании колебаний все массы, составляющей автомобиль, делятся на две группы: массы подрессоренные и неподрессоренные. Подрессоренными считаются массы, вес которых передается на упругие элементы подвески, У автомобилей подрессоренными массами являются кузова и рама с укрепленными на ней механизмами; колеса в сборе с осями (мостами) относятся к неподрессоренным массам.

Реальная подвеска автомобиля может быть представлена схемой на рис.. Подрессоренные массы автомобиля m_п закреплены на эластичных элементах подвески, имеющих жесткость С_р. Эластичные элементы соединены с неподрессоренными массами m_н, которые через шины, имеющие жесткость С_ш опираются на дорогу. При составлении уравнения колебательного движения подрессоренной массы в этом случае получающиеся выражения оказываются неудобными для пользования, а с допустимой для практики точностью можно учитывать неподрессоренные массы. Это объясняется тем, что величина неподрессоренных масс по сравнению с подрессоренной обычно очень мала, жесткость шин также значительно выше жесткости подвески (таблица).

Таблица Суммарные жесткости подвески и шин

Таким образом, схема последовательно присоединенных упругих элементов подрессоренной и неподрессоренной масс для исследования свободных колебаний автомобиля может быть принята в упрощенном виде, без учета неподрессоренных масс m_н.

Для исследования колебательного движения с упрощенной схемой можно использовать уравнения, известные для свободных незатухающих колебаний тела, подставив в них вместо жесткости пружины С приведенную жесткость рессор и шин С_пр. Для определения приведенной жесткости подвески и шин подсчитываем суммарный прогиб такой упругой связи:

где f_Р и f_ш – прогибы рессор и шин под действием груза G

Тогда приведенная жесткость подвески (рессор) и шин будет равна:

Подрессоренная часть автомобиля, как всякое свободное тело в пространстве обладает шестью степенями свободы и может иметь следующие (рис) колебательные движения. Ввиду сложности исследования системы со многими степенями свободы обычно при элементарном анализе плавности хода автомобиля рассматривают только два вида колебаний подрессоренных масс: вертикальные линейные (вдоль оси) и угловые продольные (относительно оси). В соответствии с этим в дальнейшем будут рассматриваться колебания автомобиля как тела, имеющие две степени свободы. Кроме того, для упрощения выводов не будут учитываться влияние неподрессоренных масс, амортизаторов и эластичности подушек сидений.

Расчетная колебательная система примет вид, показанный на рис.. Рассмотрение схемы показывает, что колебания автомобиля можно представить в виде колебаний отрезка АВ, проходящего через центр тяжести С автомобиля, причем точки А и В отрезка расположены над опорами передних и задних колес.

Рассмотрим некоторое промежуточное положение отрезка АВ. Пусть отрезок из своего нейтрального положения в результате колебаний переместится в положение А₁В₁. Центр тяжести С отрезка переместился на некоторую величину и занял положениеС¹, а сам отрезок повернулся на угол α. Составим уравнение колебаний отрезка АВ.

Снизу вверх на отрезок действуют реакции эластичных элементов равные:

В точке А
В точке В

где и - части веса подрессоренной массы, приходящиеся на переднюю и заднюю подвески;

С₁ и С₂ – приведенные жесткости передней и задней подвески и шин;

и - перемещения точек А и В кузова.

В центре масс отрезка АВ действуют силы вниз: сила инерции

,

и вес подрессоренных масс кузова G.

Уравнение колебательного движения (подпрыгивание) имеет вид:

или

Это дифференциальное уравнение вертикальных колебаний (подпрыгивание) автомобиля.

Для составления дифференциальных уравнений угловых колебаний автомобиля рассмотрим моменты сил, которые воздействуют на автомобиль. Момент М_р сил, создаваемых рессорами, стремящийся повернуть автомобиль относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно продольной плоскости симметрии кузова, определим по выражению:

.

Инерционный момент М_ин сопротивляющийся этому повороту отрезка АВ (кузова автомобиля), равен:

Где ρ – радиус инерции подрессоренной массы автомобиля относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно плоскости симметрии.

Эти моменты в каждый момент времени равны:

Для анализа колебательных движений автомобиля важным является изучение параметра движения точек А и В. Пользуясь схемой на рис., определяем величины перемещений Z₁ и Z₂ этих точек.

Акустический комфорт характеризуется уровнем внутреннего шума и уровнем внутреннего шума при скорости 100 км/ч (ДВА).

Микроклиматический комфорт салона обеспечивают такие конструктивные факторы, как наличие системы вентиляции и фильтрации воздуха.

Легковые автомобили имеют принудительную и естественную вентиляцию, которая обеспечивает воздухообмен в салоне. Система вентиляции состоит из электрического центробежного вентилятора с воздуховодами и дефростерами, окон, дверей, вентиляционного люка, выпускных клапанов на кузове.

Комфорт пассажира зависит от равномерности распределения и скорости движения воздушного потока, температуры воздуха в салоне.

В зависимости от скорости движения воздушного потока человек воспринимает температуру воздуха по-разному. Так, температуру воздуха 27-29 °С при скорости потока 0,15-0,3 м/с человек воспринимает как температуру 24-26 °С, а 0,5-1,0 м/с — 20-22 °С.

В летний период излишний нагрев воздуха в салоне происходит из-за поступающего теплого воздуха и солнечных лучей, проникающих через прозрачные или открытые элементы кузова (стекла, люки), нагрева и передачи тепла от непрозрачных наружных панелей кузова, двигателя и агрегатов.

Воздухообмен основан на поступлении воздуха в салон из зоны повышенного давления в передней части кузова и выходе его в зонах разряжения — сбоку, сзади или в щели дверных проемов. Система вентиляции салона при закрытых окнах создает в нем избыточное давление, препятствующее попаданию внутрь загрязненного и запыленного воздуха.

При температуре окружающего воздуха выше 22 °С пассажиры открывают оконные стекла. В салон поступает большой объем воздуха, который не может выйти через выпускные устройства и выходит через те же окна. В салоне возникают локальные вихревые потоки с повышенным и пониженным давлением, которые обусловливают неравномерность воздухообмена в салоне и снижают микроклиматический комфорт.

Требования к эффективности вентиляции регламентируются стандартом ГОСТ Р 50993-96 "Автомобильные средства. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Требования к эффективности и безопасности". В салон автомобиля из окружающей среды поступает воздух, который может содержать: отработавшие газы; газообразные промышленные выбросы, сажу и пыль; микроскопические грибки, бактерии, насекомых, пух, пыльцу и споры растений.

Концентрация токсичных, канцерогенных, сенсибилизирующих веществ в салоне автомобиля может быть в 3-6 раз выше, чем в окружающей среде, и превышать ПДК.

Для очистки воздуха, поступающего в салон автомобиля через систему принудительной вентиляции, у воздухозаборных отверстий перед панелью приборов устанавливаются системы очистки воздуха. До 70% автомобилей, выпускаемых в Европе и США, оснащаются такими устройствами.

Основные методы очистки воздуха — механическая фильтрация с использованием тонковолокнистых объемных сеток или бумаги; адсорбция на активированных углях; электростатический метод.

Изготавливаются следующие элементы для очистки воздуха: — однослойные, состоящие из пористой бумаги или микроволокнистых нетканых материалов (задерживают пыльцу растений, тополиный пух, сажу, пыль и насекомых);

— двухслойные, состоящие из механического внешнего фильтра и внутреннего абсорбционного (активированный уголь);

— трехслойные, состоящие из двух механических фильтров и адсорбента.

Фильтр должен сохранять необходимую и достаточную эффективность очистки воздуха и производительность при температурах от -40 до +80 °С, влажности до 95%, микробиологическую безопасность.

Комфортабельность салона определяется: комфортностью сидений, удельной полезной площадью салона (м2/чел.), полезной длиной и шириной салона (мм), наличием дополнительных приспособлений, повышающих удобство пассажиров.

Полезная длина салона — это горизонтальное расстояние от точки пятки водителя до контрольной точки посадки пассажира на заднем сиденье.

Полезная ширина салона — это ширина салона на уровне плеч пассажиров на заднем сиденье.

Удобство транспортировки грузов и багажа зависит от типа кузова автомобиля, объема (м3) и формы багажного отделения, возможности установки дополнительного багажника и прицепа.

Экономичность — совокупность свойств автомобиля, обеспечивающих наименьшие материальные затраты в течение срока службы или ресурса.

Экономичность автомобиля зависит от стоимости эксплуатации и обслуживания.

Затраты потребителя на эксплуатацию и обслуживание подразделяются на постоянные (налог с владельца транспортных средств, оплата государственного техосмотра) и эксплуатационные (оплата горюче-смазочных материалов, топлива, ремонта и технического обслуживания).

Затраты на горюче-смазочные материалы составляют наибольший удельный вес в расходах при условии надежности автомобиля и безаварийности движения. Эти затраты зависят от топливной экономичности автомобиля.

Топливная экономичность автомобиля характеризуется расходом топлива при эксплуатации в различных дорожных условиях (л/100 км). Согласно ГОСТ 4.396-88 в типовую номенклатуру показателей качества входят:

— расход топлива при движении с постоянной скоростью 90 км/ч;

— расход топлива при движении с постоянной скоростью 120 км/ч;

— расход топлива в городском цикле.

Эти показатели характеризуют объем топлива, расходуемого на 100 км пробега при заданных условиях движения автомобиля.

Обобщенный приведенный расход топлива устанавливается для автомобилей, у которых максимальная скорость выше 130 км/ч. Он определяется как арифметическая сумма 25% значений расхода топлива при скорости 90 км/ч, 120 км/ч и 50% значений расхода топлива в городском цикле.

Топливная экономичность зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов. Ее повышают использование электронной системы смесеобразования; экономичное электрооборудование; эффективное использование мощности двигателя на основе применения механической коробки переключения передач; снижение веса автомобиля; оптимизация аэродинамических свойств кузова и другие факторы.

Расход топлива зависит от навыков водителя и его стиля вождения, умения использовать кинетическую и потенциальную энергию автомобиля. Экономия топлива может составлять до 25%. Чрезмерное увеличение скорости движения приводит к большому перерасходу топлива.

Правильный подбор шин автомобилей позволяет снизить коэффициент сопротивления трению качения на 10% и уменьшить расход топлива на 2,5-3,5%. Сопротивление движению может возникать из-за снижения давления воздуха в шинах и нарушения схождения колес.

Техническое состояние автомобиля оказывает существенное влияние на удельный расход топлива и силы сопротивления движению. Причинами увеличения расхода топлива могут быть неисправности системы питания и зажигания, плохая регулировка зазоров клапанного механизма и фаз газораспределения, износ цилиндров и колец, образование нагара на стенках камер сгорания и днищах поршней, неисправности системы охлаждения и смазочной системы, применение топлива с низким октановым числом.

Надежность автомобиля оценивается по долговечности и безотказности.

Долговечность характеризуется установленным ресурсом (км) и коррозионной стойкостью кузова (лет). Коррозионная стойкость кузова определяется сроком службы кузова, календарной продолжительностью от начала эксплуатации автомобиля, в течение которой кузов не достигнет предельного состояния. Предельное состояние определяется наличием одной и более сквозных коррозионных перфораций, при которых эксплуатация кузова должна быть прекращена.

Читать еще

Экспертиза маркировочных обозначений автомобилей

Понятие о производстве автомобилей

Классификация легковых автомобилей

Особенности экспертизы легковых автомобилей

Хранение легковых автомобилей

Нормативные документы

ГОСТ Р 52530-2006 Бензины автомобильные. Фотоколориметрический метод определения железа

ГОСТ Р 51616-2000 Автомобильные транспортные средства. Шум внутренний. Допустимые уровни и методы испытаний

ГОСТ Р 52714-2007 Бензины автомобильные. Определение индивидуального и группового углеводородного состава методом капиллярной газовой хроматографии

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИМЕРНЫЕ ПЕРЕЧНИ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА*

Поиск по сайту: