ВЛИЯНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ И ВЕСОВОГО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО МОМЕНТА НА КОЛЕБАНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ  КОЛЁС АВТОМОБИЛЯ

 

The influence of the moment inertia and weight of the stabilizing POINT to shimmy

 

Черненко С. М., Якобчук А. И.

(КрНУ, г. Кременчуг, Полтавская обл., Украина)

Chernenko S., Yakobchuk A. (Kremenchuk Mykhailo Ostohradskyi National University, Kremenchuk, Poltava region, Ukraine)

 

Проведены исследования колебаний управляемых колёс автомобиля, вызванных гидравлическим усилителем рулевого управления. Установлено, что характер и частота колебаний существенно зависят от момента инерции управляемого колеса и весового стабилизирующего момента.

The research shimmy caused by hydraulic power steering. Found that the nature and frequency of the oscillations is much dependent on the inertia steering wheels and the weight of the stabilizing point.

 

Ключевые слова: колёсный управляючий модуль, колебания, частота, весовой стабилизирующий момент.

Keywords: wheel steering module, oscillations, frequency, weight stabilizing point.

 

Одной из важнейших систем автомобиля является колёсный управляющий модуль, который состоит из рулевого управления, управляемого моста и управляемых колёс. Он обеспечивает изменение траектории движения транспортного средства и влияет непосредственно на безопасность движения. К числу основных требований, которые предъявляются к этой системе, относятся управляемость автомобиля, лёгкость управления, стабилизация, а также устойчивость управляемых колёс против колебаний.

Управляющий колёсный модуль транспортных машин является потенциальной колебательной системой, поскольку имеет несколько степеней свободы, содержит упругие звенья, а управляемые колёса обладают большим моментом инерции относительно осей шкворней. Источниками колебаний управляемых колёс автомобилей могут быть либо их дисбаланс, либо гидравлический усилитель рулевого управления. Колебания, вызванные гидравлическим усилителем, наблюдались на таких автомобилях, как КрАЗ-255, КрАЗ-260, а также полноприводных моделях МАЗ и Урал. Исследованиями колебаний управляемых колёс, вызванных гидравлическим усилителем, занимались в 1960-х годах Гинцбург Л. Л. в НАМИ и Миронов В. М. на Уральском автомобильном заводе. Результаты исследований этих учёных представлены в работах [1], [2]. Из анализа данных работ следует, что физическая сущность явлений, происходящих при колебаниях колёс, до конца не раскрыта, не ясны причины таких колебаний. В работах [1], [2] сделаны попытки получения математической модели колебаний, однако эти модели имеют существенные недостатки и не могут использоваться в практических расчётах.

Исследованиями, проведенными на кафедре «Автомобили и тракторы» Кременчугского национального университета имени Михаила Остроградского, установлено, что колебания управляемых колёс возникают при недостаточной жёсткости гидравлической системы управляющего колёсного модуля. Упругость гидросистемы, в свою очередь, может быть вызвана попаданием воздуха в рабочую жидкость, эластичными трубопроводами и другими факторами. На характер и частоту колебаний существенное влияние оказывают момент инерции управляемого колёса относительно оси шкворня, весовой стабилизирующий момент, который вызывается весом, приходящимся на управляемые колёса, а также продольным и поперечным наклонами шкворня.

Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде, который представляет собой переднюю часть рамы автомобиля КрАЗ-260 с установленными на ней передним мостом с управляемыми колёсами и подвеской, а также рулевым управлением с гидроусилителем. Стенд оснащён измерительной аппаратурой, позволяющей определять углы поворота колёс, давление в гидросистеме усилителя в разных точках, перемещение золотника распределителя и другие параметры. На данном этапе исследования проводились с одним левым управляемым колесом, что позволило исключить влияние рулевой трапеции и правого управляемого колеса.

Для определения влияния момента инерции колеса на частоту колебаний проводились эксперименты при различных значениях величины момента инерции колеса относительно оси шкворня. Для этого к колесу закреплялось специальное приспособление на различных расстояниях в вертикальном и горизонтальном  положениях. Величины моментов инерции управляемого колеса и дополнительных масс определялись с помощью упругого стержня  согласно методике, изложенной в работе [3].

Для определения зависимости частоты колебаний от угла поворота колеса проводились эксперименты при различных значениях этого угла, который задавался от крайнего правого положения влево с шагом 5°.

Для определения влияния весового стабилизирующего момента проводились эксперименты при углах продольного наклона шкворня равных 8,5°; 5,5° и 0°. Углы изменялись с помощью клиньев, устанавливаемых между рессорой и балкой моста.

Момент инерции управляемого колеса и ступицы автомобиля КрАЗ-260 (общая масса 361 кг) относительно оси шкворня составил 48,32 кг∙м2. Во время испытаний величина момента инерции колебательной системы изменялся при помощи установки на колесо специального балласта. При этом момент инерции всей колебательной системы изменялся в пределах от  52,51 кг∙м2 до 86,5 кг∙м2.

Зависимость частоты колебаний левого управляемого колеса от момента инерции представлена в табл.1. Установлено также, что частота колебаний пропорциональна величине весового стабилизирующего момента. При его отсутствии колебания не наблюдались. Для анализа влияния угла поворота колеса на частоту колебаний на осциллограмму фиксировались колебания левого колеса при его повороте из правого крайнего положения влево с шагом 5°.

 

Таблица 1 – Зависимость частоты колебаний от момента инерции колеса

Момент инерции колеса относительно оси шкворня, кг·м2

Частота колебаний, Гц

52,51

9,3

66,83

8,9

75,71

8,7

77,95

8,3

86,5

4,66

Измерения показали, что при максимальном значении весового стабилизирующего момента Мст = 1000 Н×м в крайнем левом положении, частота колебаний составляет 10,1 Гц, а уменьшение Мст до 370 Н×м при угле продольного наклона шкворня bш = 8,5° уменьшает частоту до 7,8 Гц. Если весовой стабилизирующий момент очень мал, что наблюдается при угле bш = 1° в диапазоне углов поворота колеса порядка 5° влево и вправо от нейтрали, колебания отсутствуют.

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. На частоту колебаний влияет момент инерции колеса. Изменение величины момента инерции от 52,51 кг×м2 до 86,5 кг×м2 уменьшает при прочих условиях частоту колебаний от 9,3 Гц до 4,66 Гц. При этом имеется область резкого падения частоты, что требует дополнительных исследований.

2. Колебания возникают при установке колеса как на опорную поверхность, так и на самоцентрирующийся подшипник. На бетонной поверхности частота составляет 9,5 Гц, а на подшипнике – 8 Гц, что объясняется изменением жесткости системы.

3. Колебания возникают при наличии весового стабилизирующего момента, а их частота зависит от его величины. Последняя является функцией угла продольного наклона шкворня и угла поворота колеса. С увеличением весового стабилизирующего момента частота колебаний увеличивается при увеличении Мст от 50 Нм до 820 Нм (при угле продольного наклона шкворня bш = 5°) частота колебаний увеличивается от 3,6 Гц до 9,3 Гц.

 

Список использованных источников

1.      Гинцбург Л.Л. Об автоколебаниях управляемых колёс автомобилей // Автомобильная промышленность,1962. – №7. – с.8 – 12.

2.      Миронов В.М. Автоколебания управляемых колёс автомобиля от наличия гидравлического усилителя рулевого управления // Автомобильная промышленность, 1968. – №7. – с.17 – 19.

3.      Солтус А.П., Черненко С.М., Ниденс А.Н. Экспериментальное определение моментов инерции управляемых колес автомобилей // Науч. труды КГПИ „Проблемы создания новых машин и технологий”. – Кременчуг: КГПИ, 1999. – Вып. 1. – С. 287 – 291.