Лекция 18

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

Автомобили	Жесткость
Передние колеса	Задние колеса
подвеска	шины	подвеска	шины
«Москвич» «Волга» «ЗИЛ-164 ГАЗ-51

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.

Линейные: Вдоль оси X-X Вдоль оси Y-Y Вдоль оси Z-Z	Подёргивание Пошатывание Подпрыгивание
Угловые: Относительно оси X-X Относительно оси Y-Y Относительно оси Z-Z	Покачивание Галопирование Виляние (рыскание)

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