Расчет динамики легкового автомобиля

Вопросы исследования плавности хода автомобиля рассматривались в работах Ротенберга Р. В., Хачатурова А. А., Мельникова А.А. [1-4]. Основное внимание в них было уделено влиянию на плавность хода автомобиля, конструктивных особенностей подрессоренной части автомобиля и элементов подвески.

При проектировании подвески одной из наиболее сложных проблем является выбор её структуры и характеристик. От выбора характеристик подвески зависят многие эксплуатационные свойства автомобиля: плавность хода, средние скорости движения, управляемость, топливная экономичность, проходимость, а также  безопасность, долговечность и другие свойства. Выбор осложняется тем, что современные стандарты требуют высокий уровень виброзащиты водителя и пассажиров в тех условиях, для которых автомобили предназначены. И чем хуже дорожные условия, тем более совершенными должны быть подвески автомобилей.

Повышение плавности хода легкового автомобиля может быть достигнуто либо путём рационального выбора параметров подвески, либо путём использования систем автоматического регулирования. Второй путь решения указанной проблемы хотя и эффективен, но экономически не оправдан из-за больших затрат. Первый путь не требует больших экономических вложений, так как позволяет, не меняя структуры подвески, найти практически приемлемые решения и обеспечить плавность хода автомобиля в различных дорожных условиях в соответствии с рекомендациями и нормативами современных стандартов по виброзащите водителя и пассажиров.

Однако, несмотря на достигнутые успехи в решении рассматриваемой проблемы, вопросы о влиянии профиля и микропрофиля дороги, а также инерционных, упругих, диссипативных параметров подвески  на уровень виброускорений, действующих на пассажира в салоне легкового автомобиля, остаются недостаточно изученными.

 Большинство авторов рассматривают данную задачу с учётом микропрофиля дороги [2,4,5] и не уделяют должного внимания периодической составляющей её профиля, амплитуда которого на порядок больше уровня микропрофиля. Практически отсутствуют работы, связанные с анализом явления запаздывания возмущающих сил, действующих на задние колёса по отношению к передним колёсам и роли демпфирования шин на формирование возмущающих сил.

При поиске более совершенных конструкций передних и задних подвесок автомобилей используется метод последовательного изменения всех параметров с целью поиска путей снижения вибронагрузок, действующих на пассажира. Такой подход требует больших затрат машинного времени и мало эффективен с точки зрения анализа полученных результатов. 

Обычно для рационального проектирования элементов подвески делается расчет статистических характеристик виброускорения, действующих на пассажира, на основе  использования спектральной плотности микропрофиля дороги. Поэтому расчётные значения характеристик получаются значительно меньшими их реальных значений при движении автомобиля по гармонически изменяющемуся профилю. Это приводит к ошибочным оценкам полученных результатов по отношению к нормативным требованиям.

В работе проведён анализ работ о влиянии вибраций на человека. Осуществлена постановка задачи исследований и построена упрощенная математическая модель, описывающая колебания легкового автомобиля в вертикальной плоскости. Исследовательская часть содержит расчёт собственных частот и собственных форм колебаний автомобиля, расчёт вынужденных колебаний пассажира, построение графиков АЧХ и расчёт основного показателя плавности хода автомобиля, связанного с вибрационными нагрузками на пассажира. Проведен анализ на ЭВМ параметров динамической системы автомобиля, оказывающих существенное влияние на его характеристики.

Изучено влияние динамического гашения колебаний и рассмотрена возможность его использования в автомобилях.

1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

  Механические колебания тела человека или отдельных его частей оказывают сложное биологическое действие и могут вызвать ряд изменений в организме, затрагивающих его функциональное состояние, работоспособность, здоровье [6]. Действие механических колебаний на организм зависит от следующих причин: частоты колебаний, их интенсивности (амплитуды), продолжительности действия и направления.

Одиночные воздействия большой интенсивности могут вызвать травматические повреждения тела – ушибы, контузии, переломы. Колебания, действующие продолжительное время, даже при умеренной интенсивности могут оказать серьёзное влияние на организм человека, если частота воздействия неблагоприятна.

До сих пор нет единого мнения о тех границах частот колебаний, которые соответствуют тому или иному их действию на организм человека. Есть предположение делить колебания на собственно колебания и вибрации. Колебания отличаются более низкой частотой (предположительно до 15 – 18 Гц) и тем, что организм улавливает отдельные циклы (периоды). Вибрациями называют колебания более высокой частоты, воспринимаемые слитно.

В результате исследований влияния вибраций на организм человека выработаны рекомендации по нормированию вибронагруженности человека. Одним из таких стандартов является международный стандарт ИСО 2613 – 78 "Руководство по оценке действия общей вибрации на организм человека". На рис. 1 приведены среднеквадратические виброускорения, соответствующие границе снижения производительности труда от усталости при различной продолжительности действия вибронагрузки на человека [1].

Кузов автомобиля испытывает колебания широкого частотного спектра, в который входят и колебания, и вибрации. Рассмотрим колебания, оказывающие определяющее влияние на плавность хода и другие эксплуатационно-технические качества автомобиля. Колебания и вибрации действуют на физиологические системы человека неодинаково. Восприятие колебаний, связанных с изменением положения тела в пространстве, представляет собой сложный процесс, слагающийся из ряда ощущений, которые поступают в мозг от различных физиологических систем (органов чувств, интерорецепторов).

Рис. 1. Зависимость производительности труда от

среднеквадратического виброускорения

Основным органом человека, служащим для распознавания изменения направления или скорости движения, является вестибулярный аппарат, который является так же вспомогательным органом равновесия и ориентации положения тела в пространстве. 

Раздражение вестибулярного аппарата, передаваясь головному мозгу, вызывает два вида рефлексов, которые влияют на работоспособность человека: установочные рефлексы, обеспечивающие движение головы, глаз, непроизвольные движения рук, ног, туловища, и так называемые вегетативные рефлексы, проявляющиеся со стороны сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной и других систем организма в виде покраснения лица, сердцебиения, потоотделения, тошноты, рвоты и других симптомов синдрома укачивания (морской болезни).

Оценка изменения положения тела в пространстве зависит не только от раздражения в вестибулярном аппарате, но также от изменения положения глазных яблок, двигательного аппарата, кожных покровов, мышц и связок, которыми удерживаются внутренние органы от смещения. Например, кожная чувствительность человека заставляет его воспринимать наклоны значительно раньше, чем ощущения, идущие от вестибулярного аппарата. На рис. 2 показана схема связей, существующих между вестибулярным аппаратом и другими органами чувств. Их значение различно и изменяется в зависимости от частоты и амплитуды колебаний. Отмечается первостепенное значение вестибулярного аппарата при медленных колебаниях, а поверхности кожи – при ощущении колебаний высокой частоты  (более 15 Гц).

Рис. 2. Схема связей вестибулярного аппарата:

1 – ухо; 2 – вестибулярный аппарат; 3 – глаз; 4 – головной мозг;

5 – спинной мозг (в схематичном разрезе); 6 – кость; 7 –мышцы;

8 – сухожилие; 9 – сустав; 10 – кожа.

При действии колебаний на человека его ощущения формируются очень быстро. Если воздействие колебаний продолжается, то в организме происходят физиологические процессы, приводящие к различным состояниям, среди которых особое значение принадлежит адаптации и утомлению. Адаптация или приспособительные изменения характеризуются повышением сопротивляемости организма к внешним воздействиям и увеличением работоспособности человека. Тренировки и упражнения в закреплении навыков усиливают адаптацию.

Опыты показывают, что вестибулярный аппарат поддаётся тренировке и приспосабливается к повторным вращениям; при этом чувство противовращения постепенно уменьшается. Свойства вестибулярного аппарата приспосабливаться к колебаниям позволяет пассажирам привыкать к условиям езды в автомобиле. Эта способность сглаживает неприятные ощущения при толчках и колебаниях кузова.

В отличии от адаптации утомление обуславливает временное снижение работоспособности организма, возникающее при длительном или интенсивном воздействии раздражений. При колебаниях, сопровождаемых изменениями положения тела в пространстве, возникают мышечные рефлексы, ускоряющие наступление утомления. Утомляемость водителя понижает безопасность движения. Поэтому необходимо уделять должное внимание наиболее удобному устройству и размещению места водителя в автомобилях.

Если ощущения человека при колебаниях оценивать количественно, то показатели, соответствующие начальному состоянию, адаптации и различным степеням утомления, будут разными. Это свидетельствует о том, что состояние организма человека в зависимости от продолжительности воздействия на него колебаний и их интенсивности соответствуют разным уровням функционирования, характеризующимся относительно стабильными реакциями организма. Вестибулярный аппарат обладает способностью накапливать раздражения. Слабый толчок вызывает небольшое раздражение вестибулярного аппарата. Следы этого раздражения остаются. Несколько последовательных слабых толчков приводят к накапливанию остаточных явлений и могут дать более сильное ощущение, чем отдельные изолированные толчки. Если колебания действуют на человека в течение рабочего дня из года в год, то при определённой их интенсивности в организме могут появляться болезненные и необратимые явления.

Неблагоприятными для водителя и пассажира считают следующие условия:

• длительное воздействие колебаний, с учётом действия пиковых нагрузок со значительными ускорениями. Воздействие колебаний сопровождается длительным напряжением мышц торса, обусловленным противодействием перемещениям тела при колебаниях;
• неудобство позы. В положении сидя колебания передаются непосредственно позвоночнику, практически минуя нижние конечности. В положении стоя, действие колебаний смягчается многочисленными суставами нижних конечностей. Кроме того, дугообразная форма позвоночника, в положении сидя, менее благоприятна для смягчения колебаний, чем его естественная форма;
• длительное нервно-психическое напряжение во время работы, иногда в сочетании со значительными мышечными нагрузками.

 Вредное влияние колебаний автомобиля заключается в появлении пояснично-седалищных болей (в основном ишиаса). Влияние колебаний сказывается и на внутренних органах. Исследования показали, что у половины водителей имеются жалобы на пояснично-седалищные боли. Следует так же отметить, что болевые ощущения появляются и в сравнительно молодом возрасте.

В следующем разделе рассматривается двухстепенная динамическая система с трением гасителя колебаний. В дальнейшем сделана попытка применять этот гаситель в конструкции легкового автомобиля.

1. Ротенберг Р. В. "Подвеска автомобиля". М.; Машиностроение. 1972.
2. Хачатуров А.А. и др. "Динамика системы: дорога – шина – автомобиль – водитель"М.: Машиностроение. 1976.

3. Мельников А. А. "Теория автомобиля: колебания и плавность хода".
4. Асриянц А. А.,Хачатуров А.А. "Запись микропрофиля автомобильных дорог и его статистические характеристики" // "Автомобильные дороги". 1964г. №9. с.11 – 12.
5. Пархиловский И. Г. "Спектральная плотность распределения неровностей микропрофиля дорог и колебаний автомобиля" // "Автомобильная промышленность". 1976г. №8. с. 22 – 25.
6. Вибрация в технике. Справочник. В 6^ти томах./ Ред. совет:  В.Н. Челомей (пред.). – М.: Машиностроение, 1978. - - Т.1 Колебания линейной системы / Под ред. В.В. Болотина. 1978. – 352с.
7. Тимошенко С.П., Колебания в инженерном деле / Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1967. – 444с.
8. Стрелков С.П., Введение в теорию колебаний /М: «Наука», 1964, - 438с. 
9. Горяченко В.Д., Элементы теории колебаний / Учебное пособие. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1995. – 430с.
10. Дж. П. Ден-Гартог., Механические колебания / Ред.: С.А. Мейнгард. Главная редакция физико-математической литературы издательства М.: «Наука», 1980. – 580с.
11. Бидерман В.Л., Теория механических колебаний / Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1980. – 408с.
12. Карамышкин В.В., Динамическое гашение колебаний / Под ред. К.М. Рагульскина. – Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988. – 108 с.