Автоколебания управляемых колес (шимми)

При больших скоростях движения автомобиля возникает особый вид колебаний управляемых колес — автоколебания. Их особенность в том, что для их поддержания не нужна периодически изменяющаяся внешняя сила. Для покрытия затрат энергии, рассеиваемой при таких колебаниях на неизбежное трение, достаточно иметь постоянную по величине и направлению силу, действующую на систему, обладающую свойствами, необходимыми для возбуждения автоколебаний. Примером автоколебаний может, например, служить колебательное движение скрипичной струны, вызываемое равномерным движением по ней смычка.

Явление шимми проявляется в том, что в определенном диапазоне скоростей у автомобиля с вполне исправным рулевым управлением и полностью уравновешенными колесами на абсолютно гладкой дороге могут возникать незатухающие колебания колес относительно осей поворота при полностью неподвижном рулевом колесе. Частота этих колебаний, в зависимости от конструктивных особенностей рулевого управления и подвески, лежит в пределах 10…30 Гц, а амплитуда (при неблагоприятных условиях) может достигать нескольких 1радусов. Наличие таких колебаний существенно затрудняет управление автомобилем и, кроме того, приводит к ускоренному износу шин и шарниров рулевых тяг, а иногда и к поломкам деталей рулевого управления.

Одной из основных причин возникновения автоколебаний управляемых колес автомобиля является наличие гироскопической и упругой связи между колебаниями управляемой оси автомобиля в поперечной плоскости и поворотами колес относительно осей поворота. Из теории гироскопов известно, что при повороте оси вращения быстро вращающегося тела (гироскопа) возникает момент, действующий на эту ось в плоскости, перпендикулярной той, в которой происходит сс поворот (гироскопический момент). На рис. 53 гироскопический момент будет действовать перпендикулярно плоскости чертежа. Каждое из управляемых колес автомобиля также представляет собой гироскоп, ось которого может наклоняться как в вертикальной плоскости за счет деформации шин (рис. 53), так и в горизонтальной относительно оси поворота колеса. Как уже отмечалось, из-за упругости деталей рулевого управления поворот управляемых колес относительно осей поворота может происходить и при закрепленном рулевом колесе. На рис. 53 упругое рулевое управление условно заменено нружиной С_{р у}.

Пусть в результате какого-либо единичного импульса произойдет наклон передней оси, как показано на рис. 53. Такой единичный импульс может явиться, например, следствием наезда одного из колес на единичную неровность, расположенную на дороге. Если бы такой наклон произошел у неподвижного автомобиля (при невращающихся колесах), то в результате упругости шин возникли бы колебания оси в поперечной плоскости (плоскости чертежа), однако из-за трения в деталях подвески, потерь на гистерезис в шинах и особенно сопротивления амортизаторов подвески эти колебания были бы быстро погашены.

11ри движении автомобиля и повороте оси вращения колеса на каждое колесо будет действовать гироскопический момент М_г|, стремящийся повернуть колеса вокруг оси поворота даже при неподвижном рулевом колесе. Этот поворот вызовет появление гироскопического момента М_г" который по законам теории гироскопа будет действовать в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота колес вокруг осей поворота, т. с. в вертикальной плоскости (рис. 53), и вызывает поворот оси за счет деформации шин.

При определенных условиях (скорость движения, параметры подвески и рулевого управления) направление гироскопического момента совпадает с направлением действия упругих сил шин, т. е. поддерживает колебания в вертикальной плоскости. Таким же образом гироскопические моменты, возникающие в результате наклона осей колес в вертикальной плоскости, поддерживают колебания колес вокруг осей поворота. В связи с этим возникающие колебания, несмотря на потери энергии, сопровождающие.

Рис. 53. Схема возникновения автоколебаний.

колебания колес в вертикальной плоскости и относительно осей поворота, оказываются незатухающими.

Для восполнения потерь энергии при колебаниях колес необходим посторонний источник, в то время как гироскопические упругие моменты являются внутренними силами системы «подвеска-рулевое управление». Внешним источником, восполняющим потери, является энергия двигателя. При поворотах колес относительно осей поворота увеличивается сопротивление их качению, а следовательно, и необходимая для движения автомобиля мощность двигателя. Если при возникновении автоколебаний не увеличить мощность, подводимую к ведущим колесам, то скорость автомобиля будет уменьшаться, а вместе с этим будут затухать и автоколебания. Таким образом, упругогироскопическая связь между колебаниями колес в вертикальной и горизонтальной плоскостях служит только для преобразования постоянной по направлению внешней силы сопротивления качению в периодически изменяющиеся внутренние силы, поддерживающие колебательный процесс.

Наличие упруго-гироскопической связи между колебаниями колес в поперечной плоскости и поворотами колес относительно осей поворота является не единственной причиной возникновения автоколебаний управляемых колес. Например, изучая причины автоколебаний носового колеса трехколесного шасси тяжелых самолетов, М. В. Келдыш установил, что возникновение автоколебаний управляемых колес возможно без их наклонов в поперечной плоскости. В этом случае причиной автоколебаний являются особые процессы, происходящие в контакте эластичных колес с опорной поверхностью при их качении с уводом. Работы, проведенные в последнее время, показывают, что выводы М. В. Келдыша могут быть распространены и на управляемые колеса автомобиля.

Основным способом устранения или, по крайней мере, уменьшения автоколебаний является применение независимых подвесок передних колес.