Раздел (модуль) 8. Плавность хода колёсных машин Лекция 8.1. Основные сведения о плавности хода колёсных машин

8.1.1. Геометрические свойства поверхности пути

Под плавностью хода колёсной машины подразумевается способность её к поглощению различных толчков, ударов и вибраций, возникающих при движении. Плавность хода является важным эксплуатационным свойством, оказывающим влияние на самочувствие водителя, безопасность движения, производительность и экономичность работы, долговечность, а также она отрицательно влияет на тяговые и тягово-скоростные свойства колёсной машины. Недостаточная плавность хода проявляется в возникновении неприятных и вредных колебаний. Поэтому при изучении плавности хода колёсной машины рассматриваются колебания её основных масс.

Плавность хода зависит от характера и величины возмущающих сил, вызывающих колебания, от общей компоновки машины и отдельных её конструктивных особенностей, главным образом от системы подрессоривания, и, наконец, от мастерства вождения.

Возмущающие силы могут возникать под действием внутренних и внешних причин. К внутренним причинам относятся, например, неуравновешенность деталей и неравномерность их вращения. Из внешних причин наибольшее значение имеют неровности пути. На дорогах с твёрдым покрытием это волны и выбоины. Полевые неровности – это свальные гребни, образуемые после вспашки, и гребни рядков, образующиеся при посадке пропашных культур. Под влиянием внутренних причин возбуждаются главным образом высокочастотные колебания – вибрации, влияние которых на пассажиров учитываются действующими санитарными нормами показателей вибрационной нагрузки на оператора. Поэтому в дальнейшем плавность хода рассматривается с точки зрения воздействия, оказываемого неровностями пути.

Геометрия поверхности пути оказывает большое влияние на динамические и тяговые свойства колёсной машины. Поверхность пути можно представить в виде совокупностей неровностей различной высоты и формы.

Если высота и форма неровностей поверхности пути соизмерима с размерами колёсной машины или превышает их, такую поверхность можно отнести к макропрофилю (подъёмы, уклоны, холмы, ложбины), если же меньше, то такую поверхность следует отнести к микропрофилю (продольные борозды, поверхность при междурядной обработке пропашных культур, мелкие выбоины дороги, кочки и т.п.).

Макропрофиль поверхности оказывает в основном влияние на проходимость и устойчивость колёсных машин. Размеры и формы препятствий могут быть самыми разнообразными, однако можно ограничиться рассмотрением нескольких типовых препятствий. Потеря проходимости может быть вызвана двумя причинами: зависание машинно-тракторного агрегата на препятствии из-за недостаточного клиренса и упором носовой части колёсной машины в препятствие из-за недостаточного угла атаки.

Препятствие описывается полностью, если приведены все размеры профиля, однако по рекомендациям профессора М.Г.Беккера все формы препятствий с некоторыми допущениями сведены к канаве и насыпи в виде прямоугольников с размерами «h» и «b». Микропрофиль поверхности в виде часто повторяющихся неровностей вызывает колебательные процессы в машине, что приводит к ухудшению условий работы водителя, увеличению нагруженности деталей и узлов машины, снижению скорости движения, управляемости и устойчивости.

Как правило, неровности носят случайный характер. Даже такие неровности, как поливные борозды, междурядья, пахотные борозды и другие, которые образованы в результате взаимодействия почвы с рабочими органами, не имеют строго точных геометрических форм. Это происходит потому, что свойства почвы от участка к участку не постоянны, скорость обработки и характер взаимодействия рабочих органов с почвой колеблются в некоторых пределах, а также влияют атмосферные осадки и т.д. Тем более не имеют постоянных характеристик грунтовые дороги, стерня, просёлочные дороги, микропрофиль которых образуется в результате воздействия случайных факторов. На рис. 52 представлена профилограмма почвы двухлетней залежи.

8.1.2. Определение характеристик воздействия при движении колёсной машины по неровностям пути

Для описания характеристик воздействия на колёсную машину при движении по неровностям пути в последнее время широко применяют вероятностные методы теории случайных величин, а для более полной оценки теорию случайных функций.

Движение колёсной машины по микропрофилю можно рассматривать как эргодический стационарный процесс, который не зависит от того, начнёт ли движение машина по данному микропрофилю и с определённой скоростью в настоящий момент или через какое-то время. В этом случае эргодическая стационарная случайная функция воздействия зависит только от свойств микропрофиля и скорости движения. Кроме того из теории случайных функций известно, что если случайный процесс стационарный, то его основные характеристики математическое ожидание и дисперсия являются постоянными величинами и не зависят от времени.

Коль скоро это так, то если дискретная случайная величина H имеет возможные значения с вероятностями , то математическое ожидание определяется по формуле:

.

Таким образом, рассматривая движение колёсной машины по микропрофилю пути как эргодический и стационарный процесс, мы можем констатировать, что математическое ожидание воздействия зависит только от микропрофиля пути и не зависит от скорости движения по нему.

Дисперсия дискретной случайной величины D(H) определяется по формуле:

.

Аналогично математическому ожиданию, дисперсия воздействия также зависит только от микропрофиля пути и не зависит от скорости движения колёсной машины по нему.

Для того чтобы оценить влияние скорости движения машины на величину воздействия вводят характеристики случайных процессов, такие как корреляционная функция и спектральная плотность (спектр частот).

Корреляционную функцию для каждого режима движения определяют по функции воздействия H(t). Корреляционная функция является основной статистической характеристикой во временной области стационарного случайного процесса и отражает все основные свойства воздействия: характер неровностей микропрофиля пути (высоту, форму и длину) и скорость движения машины по нему.

Корреляционная функция характеризует связь между ординатами случайной функции воздействия, смещёнными друг относительно друга на время . Перевод случайной функции H(S) микропрофиля пути в случайную функцию воздействия H(t) осуществляется заменой переменной в соответствии с зависимостью , где - скорость движения машины.

Для случайной функции H(t) корреляционная функция записывается в следующем виде:

,

где - разность моментов времени, в которые наблюдались ординаты случайной функции Н(t);

- текущее значение времени.

Из формулы видно, что при нулевом смещении значение корреляционной функции будет равно дисперсии ординат неровностей микропрофиля пути .

При , но малом, значения ординат H(t) и H(t+ ) мало отличаются друг от друга. Таким образом, если величина H(t) приняла какое-то значение, то и величина H(t+ ) с большой вероятностью примет значение близкое к нему. При =0 связь будет наибольшей. При увеличении сдвига зависимость ординат H(t) и H(t+ ) между собой должна слабеть и, следовательно, значение должно уменьшаться. Поэтому всегда справедливо неравенство .

Если микропрофиль пути представляет собой гармоническую функцию (например, синусоидальную или косинусоидальную), то корреляционная функция такого воздействия представляет собой гармоническую функцию той же частоты, что и функция воздействия. На рис. 53 приведены корреляционные функции различных случайных функций воздействия.

Из рисунка видно, что , выраженная кривой 1 характеризует случайную функцию воздействия без гармонических составляющих, т.к. значение непрерывно убывает с увеличением значений , и отсутствуют периодические колебания значений . Кривая 2 также не имеет гармонических составляющих, но степень случайности процесса воздействия здесь существенно выше, т.к. значение резко уменьшается с увеличением значений . Кривые 3 и 4 характеризуют процесс воздействия, в котором явно присутствуют гармонические составляющие, при этом кривая 3 описывает процесс воздействия с малой случайностью и высокой периодичностью, т.е. процесс близкий к обычному гармоническому процессу. Кривая 4 описывает процесс воздействия со случайными и периодическими составляющими.

Пример построения корреляционной функции и её аппроксимации даётся в книге И.Б.Барского и др. «Динамика трактора», М. Машиностроение, 1973г., 280с.

Несмотря на большую универсальность и общность корреляционных функций как характеристик случайных процессов, в практических исследованиях также широкое применение находят спектральные характеристики, в частности спектральная плотность.

Спектральная плотность характеризует непрерывный спектр имеющихся частот в данной случайной функции воздействия. На рис. 54 приведен график спектральной плотности.

Спектральная плотность и корреляционная функции связаны между собой зависимостью

.

Можно получить и обратную зависимость корреляционной функции от спектральной плотности:

.

Если имеются график корреляционной функции, аналогичный изображённому на рисунке 53, то можно подобрать аналитическое выражение этой функции

,

где - неопределённые коэффициенты; .

При обработке функций воздействия можно найти такие значения коэффициентов , при которых можно получить достаточно точный график корреляционной функции.

Если, например, спектральная плотность имеет резко выраженный один max, то случайная функция воздействия содержит в основном частоты близкие к одной частоте соответствующей max функции спектральной плотности. Если спектральная плотность является пологой кривой, то случайная функция воздействия содержит примерно в равной мере весь спектр частот.

Спектральная плотность случайной функции воздействия используется при моделировании динамики колёсной машины, а также при моделировании нагрузки при стендовых испытаниях машин.

8.1.3. Оценочные показатели плавности хода колёсной машины

Показатели плавности хода колёсной машины характеризуют воздействия колебаний на водителя, пассажиров, элементы конструкции и перевозимый груз. Колебания машины оказывают неблагоприятные воздействия на организм человека, вызывая функциональные расстройства ряда внутренних органов, отражающиеся на его здоровье. Организм человека адаптирован к частотам колебаний до 1,5-2,5 Гц, что соответствует средней скорости пешехода. Колебания с частотой 3-5 Гц вызывают реакции вестибулярного аппарата, расстройства сосудистой системы, укачивание (морскую болезнь). При частотах 4-11 Гц возникают резонансные колебания головы, желудка, печени, кишечника. Колебания с частотами 11-45 Гц приводят к ухудшению зрения, вызывают тошноту и рвоту. При частоте свыше 45 Гц и определённой интенсивности возникает так называемая вибрационная болезнь.

Человеческий организм воспринимает воздействия колебаний по- разному в зависимости от их частоты. При низких частотах (до 15-20 Гц) он наиболее восприимчив к ускорениям, при средних частотах – к скоростям колебаний, при высоких частотах – к перемещениям. Наибольшая чувствительность отмечается к вертикальным колебаниям в диапазоне частот 4-8 Гц и горизонтальным – 1-2 Гц.

При оценке плавности хода колёсной машины и вибрационной нагрузки водителя и пассажиров используются следующие показатели:

- собственные частоты колебаний подрессоренных масс;

- максимальные и средние квадратичные значения ускорений в различных точках колёсной машины;

- средние квадратичные значения виброускорений на сиденьях водителя и пассажиров в первых пяти октавных полосах частот (1; 2; 4; 8; 16 Гц – средние частоты в октавных полосах).

Оценку воздействий вибрации на человека и нормирование её допустимого уровня по различным критериям («безопасность», «граница снижения производительности труда» и «комфорт») производят в соответствии с международным стандартом ISO 2631-78 и ГОСТ 12.1.012-90.

Методы испытаний автотранспортных средств на плавность хода изложены в ОСТ 37.001.291-84. С помощью системы датчиков и измерительной аппаратуры регистрируют вертикальные и горизонтальные ускорения на сиденьях водителя и пассажиров, на полу кабины и в других контролируемых точках колёсной машины. Предельные технические нормы плавности хода всех категорий автотранспортных средств приводятся в ОСТ 37.001.275-84.

Определение параметров виброзащитной системы колёсной машины при функциональном проектировании осуществляется посредством математического моделирования. Математическая модель должна отображать основные физические свойства подвески машины, рабочего места водителя, пассажирских сидений, а также воздействий внешней среды – опорной поверхности дороги. В процессе моделирования движения колёсной машины в заданных дорожных условиях определяют рассмотренные выше показатели плавности хода машины и вибронагруженности людей и элементов конструкции. Используя значения этих показателей в качестве критериев оптимальности, определяют оптимальные параметры виброзащитной системы колёсной машины.