Источники вибраций

Вынуждающие силы, вызывающие колебания (вибрацию) отдельных частей автомобиля, различаются по природе, характеру действия и направлению. По характеру они могут быть единичные и непрерывно действующие, а по природе возникновения — внутренние и внешние.

К внешним источникам вибрации относятся:

• дорожные неровности;
• воздействия, вызванные водителем через органы управления: при трогании с места, переключении передач, при «броске» педали сцепления, торможении стояночной тормозной системой и др.

К внутренним источникам вибрации относятся:

• неравномерность работы двигателя, которая зависит от особенностей его конструкции и рабочего процесса;
• конструктивно-технологические особенности узлов и деталей трансмиссии, вызывающие неравномерность вращения зубчатых колес, карданной передачи, колес автомобиля и других вращающихся масс.

Основными источниками вибрации в автомобиле являются дорожные неровности и двигатель.

При движении автомобиля по дорогам его кузов испытывает вертикальные и горизонтальные колебания. Эти колебания, кроме того, приводят к изменениям некоторых параметров: к изменениям радиусов качения и площади контакта шин с дорогой, а также к изменению положения ведущего моста относительно кузова. В свою очередь, эти изменения вызывают возникновение новых колебаний, а именно изменения площади контакта шин ведущих колес с дорогой, вследствие различной тангенциальной жесткости шин, приводят к параметрическим колебаниям; изменения положения ведущего моста относительно кузова приводят к возникновению знакопеременных изменений крутящего момента со значительными амплитудами.

Колебания от работы двигателя, в основном крутильные и изгибные, вызваны следующими основными причинами: непостоянством крутящего момента двигателя и неуравновешенностью сил инерции движущихся масс кривошипно-шатунного механизма. Суммарные силовые воздействия этих факторов могут быть весьма существенными. Двигатель является также источником значительных вертикальных вибраций.

Приблизительные диапазоны частот собственных колебаний отдельных частей автомобиля следующие, Гц: пассажир на сиденье — 1 …5, двигатель на опорах, а также неподресеоренные массы — 5…20, кузов — 10…50, рессоры и шины — 20…200, вибрации из-за работы двигателя, а также карданная передача — 10… 200. Существенное усиление вибраций наблюдается при совпадении частот собственных колебаний нескольких отдельных частей автомобиля. Отмстим особенности вибрации отдельных частей автомобиля.

Силовой агрегат

Поршневой двигатель является мощным источником вибрации, особенно при малой скорости движения и высокой частоте вращения коленчатого вала. Обычно двухтактный бензиновый двигатель имеет более высокий уровень вибрации, чем четырехтактный, но все же намного меньший, чем дизель. Большое влияние имеет число и расположение цилиндров. Так, наименьшей виброактивностью обладают двигатели Р6 (шесть цилиндров, расположенных в ряд) и V8-9 (T, наибольшей — с неуравновешенными силами инерции первого (двигатели Р2) и второго (двигатели Р4 и V4-900) порядка и моментами сил инерции первого (двигатели Р5) и второго (двигатели Р5 и V6-900) порядков. Применение уравновешивающих механизмов (как на двигателе Р2 автомобиля «Ока») существенно снижает виброактивность и шум неуравновешенных двигателей. Все возмущающие факторы двигателя проявляются в диапазоне частот до 500 Гц, а наиболее интенсивные — в диапазоне 8… 10 Гц, что близко к собственной частоте вертикальных колебаний силового агрегата и передних неподрессоренных масс автомобиля.

Частоты собственных изгибных колебаний силового агрегата увеличиваются с уменьшением его длины, поэтому, например, нецелесообразны удлинители коробок передач. Поперечное расположение двигателя переднеприводных автомобилей определяет компактность силового агрегата, благодаря чему частоты его собственных изгибных колебаний сдвигаются за рекомендуемое значение 200 Гц. Однако это не исключает возможности возникновения опасных вибрационных резонансов в переднеприводных автомобилях.

Трансмиссия

Для трансмиссии автомобиля характерны интенсивные колебания с несколькими резонансными режимами, которые передаются на подвеску и кузов. Так, для одной модели легкового автомобиля с задними ведущими колесами было обнаружено в диапазоне частот до 800 Гц 14 резонансных форм. Для снижения вибраций при этих резонансах применяют отстройку по собственным частотам. В настоящее время все автомобили имеют демпфер крутильных колебаний, установленный в ведомом диске сцепления. Кроме того, многие легковые автомобили имеют упругую муфту в карданной передаче, а иногда еще и в ведущем мосту или в концах полуосей. Значительно снижаются крутильные колебания при использовании гидротрансформатора. Не менее опасны в трансмиссии изгибные и изгибно-крутильные колебания, которые в диапазоне частот до 1000 Гц имеют несколько резонансных форм. Для их снижения применяют изменение собственных частот силового агрегата, более жесткие картеры и их стыки, снижение изгибной жесткости соединения маховика с коленчатым валом и т.д.

Подвеска

На низких частотах (до 20 Гц) через подвеску передаются колебания, соответствующие частотам собственных колебаний подрессоренных (1 …2 Гц) и неподрессоренных (6… 12 Гц) масс. На высоких частотах амортизатор и упругие элементы ведут себя иначе, чем на низких, и не выполняют своих функций. Вибрационные характеристики подвески и щины должны быть согласованы. Часто для их улучшения применяют установку резиновых виброизоляторов между деталями подвески и кузовом, но это можег привести и к увеличению передаваемой через подвеску вибрации.

Шины

В шине в основном наблюдается два вида колебаний: средней частоты, когда шина ведет себя как масса на пружине, и высокой частоты, когда шину приходится рассматривать как систему с распределенными параметрами, так как распределенные вдоль окружности колебания протектора и боковин шины определяют колебания оси колеса. При этом обычно радиальные шины имеют меньшую (60… 100 Гц) первую собственную частоту колебаний по сравнению с диагональными (130… 200 Гц) шинами. Радиальные шины вызывают заметное увеличение вибраций и внутреннего шума в диапазоне частот 60… 100 Гц. Тем не менее создаются радиальные шины, не уступающие по вибрационным характеристикам лучшим диагональным шинам.

На высоких скоростях движения вибрация и шум шин могут существенно увеличиться из-за их дисбаланса. Так, увеличение дисбаланса шин легкового автомобиля до 0,1 Нм приводит к увеличению уровня их шума при 100 км/ч на 2 дБ. На шину действуют также боковые колебания, а на управляемые колеса также «шимми» (колебания относительно вертикальной оси) и «трампинг» (колебания относительно продольной оси автомобиля).

Кузов

Имеются различия в формах колебания для разных кузовов легковых автомобилей (открытые или закрытые, седан, купе, универсал и т.д.). Однако обычно можно выделить пять форм колебаний:

• колебание жесткого кузова относительно подвески (5… 10 Гц);
• вынужденное колебание жесткого кузова, вызванное вибрацией двигателя (11… 17 Гц);
• изгибнме и крутильные колебания кузова в целом (25…40 Гц);
• кольцевая форма колебания пассажирского салона и изгибные колебания карданного вала (50… 150 Гц);
• звуковой резонанс, возникающий в пассажирском салоне (90 или 150 Гц).

Кроме того, отдельные панели кузова имеют большое число частот собственных колебаний в диапазоне 50… 200 Гц и выше.

Тормозные механизмы

В дисковых и особенно в барабанных тормозных механизмах при определенных давлениях в тормозной системе могут возникать высокочастотные (1 000…4 000 Гц) вибрации, которые можно устранить установкой виброгасителя около механизма разжима колодок и другими мероприятиями.