Неровности дороги являются основной причиной возникновения вынужденных колебаний автомобиля. Остальные причины имеют меньшее значение при условии, что автомобиль исправен и соответствует техническим условиям. Чтобы в эксплуатации не возникали заметные возмущающие силы, помимо вызванных неровностями дорог, необходимо выполнять различные условия. В связи с этим кратко рассмотрим некоторые источники возмущения, поскольку они вызывают, как правило, высокочастотные колебания (вибрации). 

Биение и неуравновешенность колес. Биение (эксцентриситет) и неуравновешенность (несбалансированность) колес вызывают периодические силы или моменты, меняющиеся с угловой частотой, равной угловой скорости вращения колес, и действующие всегда, в том числе и на дороге с ровной поверхностью. Биение и неуравновешенность задних колес влияет на вертикальные колебания автомобиля, а неуравновешенность передних колес, кроме того, затрудняет управление автомобилем. В результате этого сокращается срок службы шин и может появиться их повышенный износ («пятнистый износ»).

Особенность биения состоит в том, что амплитуда возмущения не зависит от скорости автомобиля. Если эксцентриситеты левого и правого колес направлены в одну сторону, то возникает периодическая вертикальная сила, а если они смещены на 180°, то возникает периодический момент в поперечной плоскости. Частота возмущающего воздействия определяется частотой вращения колес и составляет для легкового автомобиля 6—15 гц в интервале скоростей 50—125 км/ч. Такая частота может вызывать колебания неподрессоренных масс, и, значит, такое возмущение должно быть минимальным.

Логично требовать, чтобы максимальное перемещение оси колеса, вызванное ее биением, не превышало удвоенной ординаты микропрофиля очень хорошей дороги. Можно видеть (см. рис. 13), что средняя квадратическая высота неровностей, соответствующая длине неровности, приблизительно равной длине окружности колеса легкового автомобиля, должна составлять около 0,8 мм. Практически допустимое биение колеса легкового автомобиля равно 2—3 мм.

Ограничение биения достигается введением более жестких допусков на изготовление колес и шин. Эти меры позволили ограничить биение посадочной поверхности обода до 1,5 мм у грузовых автомобилей малой грузоподъемности и до 2,3 мм у грузовых автомобилей большой грузоподъемности. Среднее биение колеса с десятислойной шиной 10,00—22,5 было 1,4 мм.

Неуравновешенность колес вызывается главным образом неравномерным распределением материала протектора шины. Возмущение, вызываемое неуравновешенностью, имеет свои особенности.

Во-первых, амплитуда возмущения возрастает пропорционально квадрату скорости автомобиля, так как

Поэтому при увеличении скорости с 20 до 140 км/ч возмущающее воздействие увеличивается в 50 раз. Такой закон изменения возмущающей силы приводит к тому, что при малых скоростях (у легкового автомобиля до 50—60 км/ч) не появляется колебаний с частотой возмущающей силы [90]. При больших скоростях, близких к резонансу, перемещения колес быстро увеличиваются, а сам резонанс будет тем сильнее, чем выше соответствующая ему скорость автомобиля.

Во-вторых, составляющие P_нz и Р_нх создают переменные нагрузки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, которые являются силами, если неуравновешенности левого и правого колес совпадают по величине и направлению, и силами и моментами в остальных случаях.

В третьих, при возможной небольшой разности радиусов колес и их чисел оборотов взаимное положение неуравновешенностей (масс т_н) на левом и правом колесах медленно меняется.

В общем случае (рис. 16, а) неуравновешенность колеса приводит к появлению силы Р_н и момента Р_на_н- В частном случае при а_н — 0 имеет место статическая неуравновешенность. В обоих случаях неуравновешенность приводит к периодическому возмущению вертикальных колебаний и виляний управляемых колес с частотой, зависящей от их числа оборотов. В другом случае (рис. 16, б) возмущающий момент, вызывающий виляние колес, а также их колебания в поперечной плоскости, будет наибольшим.

При испытаниях легкового автомобиля на ровной бетонной дороге наблюдались резонансные колебания управляемых колес в поперечной плоскости при скоростях 110—120 км/ч, сопровождавшиеся деформацией шин, достигавшей 20—24 мм у статически уравновешенных колес и 27—30 мм у колес с неуравновешенностью 8000 Г∙см [90]. Подобные колебания наблюдались и у грузовых автомобилей грузоподъемностью менее 750 кГ при скоростях свыше 100 км/ч. По данным испытаний, проведенных Л. П. Ландаром, у грузовых автомобилей большой грузоподъемности (типа КрАЗ) при эксплуатационных скоростях неуравновешенность колес не сказывается на колебаниях мостов в поперечной плоскости.

Неуравновешенность колес сокращает пробег шин, снижает усталостную прочность осей поворотных цапф, полуосей легковых автомобилей, деталей рулевого привода, а также затрудняет управление, увеличивая отдачу в рулевое колесо.

У грузовых автомобилей вертикальные колебания, вызванные неуравновешенностью, из-за большого межлистового трения в подвеске передаются раме, кабине, кузову и вызывают их вибрацию. Высокие частоты этих колебаний облегчают защиту водителя (сиденье, виброизоляционные прокладки).

Неуравновешенность колеса с шиной обычно нормируется и выражается величиной G_нr_н в Г∙см. На основании формулы (27)

Одно из предложений по определению допускаемой неуравновешенности для легковых автомобилей сводится к тому, чтобы принимать такую неуравновешенность, при которой деформации шины были такими же (±0,5 мм), как и при качении колеса по очень хорошей дороге [123]. Если учитывать характеристики шин легковых автомобилей, то этому положению соответствует сила 7—10 кГ. Принимая распространенное при балансировке число оборотов в минуту, равное 830, по последней формуле получим допустимую неуравновешенность колес, составляющую 900— 1300 Г∙см.

Практически для шин легковых автомобилей допускается неуравновешенность 500—1000 Г∙см. Однако выборочные проверки фактической неуравновешенности шин показывают, что она может быть весьма большой: нз 1000 шин размером 6, 70—15 половина имела неуравновешенность свыше нормы, а из 100 шин размером 5,50—16 — свыше 90% [90]. В последнем случае при норме 500 Г∙см около 60% шин имели неуравновешенность 1000—3000 Г∙см, а в отдельных случаях и до 6000 Г∙см.

Более поздние исследования [42] показали, что для автомобиля класса М-21 «Волга» можно сохранить дисбаланс колеса в допускаемых пределах (не свыше 800 Г∙см) только при балансировке всех колес. Если этого не было сделано, то дисбаланс колес в сборе, главным образом из-за неуравновешенности шин, достигал 4000 Г∙см, причем у половины обследованных колес он превышал 2000 Г∙см. Стендовые испытания, давшие результаты, заниженные по сравнению с результатами дорожных испытаний, показали, что при скорости 120 км/ч и неуравновешенности 4000 Г∙см размах вертикальных колебаний колеса достигал 7 мм, а угловых около 34°. Аналогичная картина наблюдалась для колес и шин грузовых автомобилей, особенно при использовании шин, прошедших ремонт.

Уменьшение допусков на изготовление и введение балансировки колес в сборе со ступицами, тормозными барабанами и шинами уменьшает неуравновешенность до 350—700 Г∙см для грузовых автомобилей малой грузоподъемности и до 2100 Г∙см для автомобилей средней и большой грузоподъемности.

Воздействие перевозимого груза. Груз, перевозимый на автомобиле, по-разному влияет на его колебания, если он упруго связан с подрессоренной частью или если возможны отрывы груза от пола платформы при колебаниях.

Удары груза о кузов могут влиять на колебания автомобиля и угрожать сохранности перевозимого груза.

Рассмотрим тот простейший случай, когда перевозимый груз массой т_г, оторвавшись от пола кузова, падает на него с высоты h. Найдем силу, вызванную ударом и передающуюся кузову (подрессоренной части). Если не учитывать массу М₂ подрессоренной части, то кинетическая энергия груза в момент призем

Пусть, например, т_г = 0,1 М₂, h — 2 см, Δz_ст = 0,05 см. Тогда ψ_уд≈ 4. Следовательно, ускорение груза в момент падения может достигать 4g. Принятые допущения могут сильно сказываться на результатах. Однако следует отметить, что при испытаниях в НАМИ грузовых автомобилей были зарегистрированы ускорения 50 м/сек² и более груза, подпрыгивающего в кузове.

Таким образом, для обеспечения сохранности перевозимого груза необходимо учитывать следующее:

для ограничения воздействий груза на автомобиль и сохранения самого груза его необходимо надежно закреплять для всех перевозок, при которых ускорение подрессоренной части автомобиля во время колебаний приближается к lg;

ускорения при подпрыгивании (отрывах) груза могут превосходить ускорения кузова и тем значительнее, чем больше вес груза и меньше нагружен автомобиль;

если груз перевозится незакрепленным, то ускорения подрессоренной части при колебаниях должны быть меньше lg, а еще лучше, если z_max ≤ (0,6 ÷ 0,8) g.

Ротенберг Р.В.
Подвеска автомобиля
1972