Автомобіль являє собою багатомасових коливальну систему, яка володіє багатьма ступенями свободи. Як уже згадувалося раніше, маси всіх частин автомобіля підрозділяються на підресорені і безпружинні. Підресорені спираються на підвіску автомобіля (кузов, рама і закріплені на них системи і механізми), а безпружинні - на дорогу (мости, колеса).
Підресорені маси коливаються на пружних пристроях підвіски (ресори, пружини, торсіони, пневмобаллона і ін.) З низькими частотами, складовими 60-150 хв -1. а безпружинні - на пружних пристроях підвіски і шинах з високими частотами - 350-700 хв -1.
Кузов (рама) автомобіля при русі здійснює складний коливальний рух, переміщаючись поступально (паралельно самому собі) уздовж трьох взаємно перпендикулярних осей х, у, z і одночасно маючи кутові переміщення щодо кожної з цих осей. При цьому кузов може здійснювати шість різних коливань, відповідних шести ступенів свободи (рис. 12.1, а):
- поступальні вертикальні переміщення щодо вертикальної осі z (підстрибування);
- поступальні поздовжні переміщення щодо поздовжньої осі х (сіпання);
- поступально поперечні переміщення щодо поперечної осі у (хитання);
- кутові переміщення навколо поперечної осі у (галопування);
- кутові переміщення навколо поперечної осі х (погойдування);
- кутові переміщення навколо поперечної осі z (нишпорення).
За початок координат приймають центр тяжкості.
Головне вплив на плавність ходу і на самопочуття людини в автомобілі надають два види коливань: поступальний вертикальне (підстрибування) і кутові поздовжні (галопування).
а - автомобіля як коливальні системи; б - для визначення приведеної
Малюнок 11.1 - Схема коливань автомобіля
Коливання в вертикальній площині залежать від жорсткості пружного елемента підвіски і шин.
При визначенні наведених жорсткостей автомобіля з1 і с2 необхідно знати відповідні жорсткості підвісок і шин передньої і задньої осей. Для цього враховують вагу автомобіля, що припадає на вісь G1 (G2) жорсткість підвіски і шин відповідно CП і СШ (рис. 12.1, б).
Підбираючи характеристику пружного елемента до конкретної моделі автомобіля, домагаються шуканої плавності ходу в вертикальній площині.
Дня пом'якшення вертикальних коливань бажано мати м'яку підвіску, яка значно деформується при переїзді перешкоди, а для гасіння небажаних повільно загасаючих коливань кузова використовувати амортизатори.
Більш складне вплив на плавність ходу надає галопування. Якщо обурює сила Р прикладена ні до центру пружності, а в іншій точці, то виникає як лінійне, так і кутове переміщення (рис. 12.2).
Малюнок 12.2 - Модель коливань автомобіля
З умови рівноваги системи відносно центра ваги:
х - відстань від центру пружності до ЦТ,.
З огляду на, що реакції опор R1 і R2 можна виразити через жорсткість і деформації пружних елементів, отримаємо:
Підставивши у вираз для визначення відстані (х) знайдені значення R1, R2 і Р. отримаємо:
Якщо сила Р прикладена до центру пружності, то відбувається тільки лінійне переміщення. В цьому випадку f1 = f2 і галопування відсутня, а вираз (12.5) набуде вигляду:
Отриманий вираз можна застосувати до коливань кузова, замінивши підресорену масу тп трьома масами - т1. m2 і Т3, пов'язаними між собою невагомим стрижнем (рис. 12.3, а). Маси т1 і т2 розташовані відповідно на відстанях l1 і l2 від центра ваги кузова, а маса Т3 знаходиться безпосередньо в центрі ваги.
а - коливальна система еквівалентна підресореною масі;
б - положення центра ваги і пружності
Малюнок 12.3 - Схема для розрахунку коливань автомобіля
Щоб система з цих трьох тіл була подібна підресореною масі автомобіля, повинні виконуватися наступні умови:
- сума всіх мас системи повинна бути дорівнює підресореною масі автомобіля: т1 + m2 + Т3 = тп;
- центр ваги системи повинен збігатися з центром тяжкості підресореною маси, тобто m1 l1 = т2 l2;
- момент інерції системи відносно горизонтальної осі (у) має дорівнювати моменту інерції підресореною маси щодо тієї ж осі: m1 l 2 +1 m2 l 2 + 2 = тк # 961; 2 к. Де # 961; к - радіус інерції підресореною маси автомобіля.
У відповідності з перерахованими умовами визначимо маси:
Якщо вивести систему зі стану рівноваги, а потім відпустити, то виникнуть коливання (рис. 12.3, б), при яких з'явиться сила інерції Рі. що дорівнює добутку маси m3 на прискорення коливань, яка створює момент щодо центру пружності: Ми = Рі · х. Момент інерції під час коливань буде дорівнює нулю за умови, якщо m3 = 0 або плече сили інерції х = 0.
Із системи (12.7) випливає, що (m3 = 0), якщо (# 961; 2 к / (l1 l2) = 1), тому що (Тп ≠ 0). Для легкових автомобілів ставлення # 961; 2 к / (l1 l2) близько до 1, тому вони мають досить гарну плавність ходу.
Отже, жорсткість підвісок необхідно вибирати таким чином, щоб вони були обернено пропорційні відстаням центpa тяжкості від передньої і задньої осей. Тоді при однакових прогібахподвесок кузов буде переміщатися вертикально без галопування.