kitayteka.ru

Порядок гармонических колебаний

Еще одним важным термином является порядок (гармонических) колебаний. Этот термин определяет взаимосвязь между частотой колебаний и частотой вращения деталей (автомобиля). Если частота колебаний совпадает с частотой вращения, то они называются колебаниями первого порядка. Это показано на примере шины с одним ослабленным участком (изменение радиальной силы). Когда ослабленный участок касается дороги (поддерживая массу автомобиля), кузов автомобиля опускается. Так как это происходит каждый оборот, можно ощутить вибрацию, частота которой совпадает с количеством оборотов колеса в секунду. Если частота колебаний в два раза превышает частоту вращения, то это колебания второго порядка. В случае шины для этого должно иметься два ослабленных участка. Превышение в три раза называется колебаниями третьего порядка и т. д. Это касается всех вращающихся деталей, таких как, например, шины или коленчатый вал. В следующей таблице приведен пример взаимосвязи частоты вращения различных двигателей с частотой изгибных колебаний коленчатого вала. Понять эту взаимосвязь очень важно для поиска неисправностей, особенно если используется диагностическое оборудование, такое как анализатор NVH.

Демпфированные колебания и резонанс

На рисунке слева показаны резонансные колебания системы, вызванные воздействием на ее массу внешней силы разной частоты, но одинаковой амплитуды. При этом в системе отсутствует демпфер. В точке А колебания очень слабые, и смещение груза в целом равно нулю (зависит от приложенной силы). В точке В колебания слишком быстрые, чтобы груз успевал за ними, поэтому амплитуда мала. В точке С частота внешней силы совпадает с собственной частотой груза, поэтому амплитуда становится (теоретически) бесконечно большой. Это явление резонанса является основной причиной увеличения вибрации и шума в автомобиле и может даже привести к повреждению деталей. Чтобы избежать этого негативного эффекта, в колебательных системах часто используют демпфирующий элемент. В присутствии демпфера кривая не имеет бесконечной амплитуды. Вместо этого вершина пика имеет округлую форму, обусловленную коэффициентом демпфирования. Чем больше коэффициент демпфирования С, тем меньше амплитуда в точке резонанса. На рисунке справа показано влияние демпфера на систему.
На нижних рисунках показана соответствующая «модель» описанных систем и приведена зависимость амплитуды от времени в отсутствие демпфера. Даже без дополнительного демпфера амплитуда уменьшается из-за внутреннего трения пружины, поэтому коэффициент демпфирования присутствует даже на левом рисунке, несмотря на то, что демпфер в системе отсутствует. Коэффициент демпфирования на правом рисунке существенно выше, так как в системе установлен дополнительный демпфер. Если демпфер достаточно большой, колебаний не возникает и груз возвращается из возмущенного состояния в точку равновесия, не пересекая нулевую линию. В большинстве случаев используются демпферы фрикционного типа, однако существуют и другие возможности. Примечание. Хотя на первый взгляд использование демпфера кажется удачным решением, следует учитывать, что сильное демпфирование может привести к проблемам, связанным с ограничением ускорения демпфированной детали, в то время как другие объекты могут начать колебаться из-за того, что теперь колебания могут передаваться другим объектам.

Уменьшение вибрации и резонанс

Помимо использования фрикционного демпфера, чтобы избежать или уменьшить колебания тела существуют и другие способы. Первый способ заключается в уменьшении передачи от источника колебаний к телу, колебания которого нежелательны. Распространенным решением является установка пружин между источником колебаний и присоединенным к нему телом (косвенная передача колебаний). Примером может служить способ установки двигателя в автомобиле. Всем известно, что двигатель крепится к кузову автомобиля не жесткими деталями, а специальными опорами двигателя, выступающими в роли пружин. В результате сила (колебания), передаваемая на кузов автомобиля, зависит от упругости резинового элемента (остающаяся часть энергии колебаний превращается в пружине в тепло). Другим способом является использование в системе динамического демпфера, что позволяет сместить точку резонанса. Сила колебаний теперь действует на обе подсистемы: на исходную (большую) массу с пружиной и на дополнительную (малую) массу с пружиной. Динамический демпфер выбирается таким образом, чтобы его частота собственных колебаний совпадала с одной из частот собственных колебаний системы. Поэтому этот динамический демпфер колеблется в резонанс с источником колебаний, но в противоположном направлении. Если динамический демпфер выбран правильно, в исходной системе больше не возникает колебаний с собственной частотой.

Из-за того что добавлена вторая масса, возникают две резонансные частоты, отличающиеся от исходной. Они расположены по обе стороны от исходной резонансной частоты. Третий способ заключается в использовании амортизирующего груза. В этом случае в исходную систему вводится только дополнительный груз (без пружины). Изменение полной массы приводит к смещению резонансной частоты в другой диапазон, в идеальном случае за пределы частот источников колебаний. Можно утверждать, что при использовании дополнительного груза резонансная частота уменьшается. В любом случае следует избегать ситуации, когда резонансная частота новой системы будет находиться в рабочем диапазоне источника колебаний, так как из-за дополнительного груза амплитуда колебаний увеличивается. Вообще говоря, термин «амортизирующий груз» является не совсем правильным, так как он не гасит колебания, а приводит к смещению частоты резонанса. Краткий итог: конструкционные колебания передаются по твердой или полутвердой среде. Частота не превышает 1000 Гц. С ними можно бороться двумя способами: демпфирование или развязка. Демпфирование означает уменьшение амплитуды колебаний. Развязка (косвенная передача) предполагает изоляцию источника колебаний от детали, колебания которой нежелательны: примером являются втулки.

Степень свободы

Еще одним фактом, который следует знать, является то, что колебательные системы могут иметь разное количество степеней свободы. Степенью свободы называется направление, в котором объект может двигаться/колебаться. В зависимости от возможных направлений колебаний различаются следующие типы колебаний:
колебания с одной степенью свободы: (колебания твердого тела);
колебания с двумя степенями свободы: (колебания твердого тела);
колебания с множеством степеней свободы: (колебания твердого тела);
колебания с неограниченной степенью свободы: (упругие колебания).
Наиболее простым типом колебаний являются колебания с одной степенью свободы. Это означает, что фактическое положение колеблющегося тела можно описать одним числом, определяющим смещение относительно неподвижной точки отсчета. Например, положение поршня, движущегося в цилиндре, можно описать расстоянием от края цилиндра. Чем больше чисел требуется для описания положения объекта, тем больше количество степеней свободы. Объект, свободно движущийся по плоской поверхности, имеет три степени свободы, так как он может двигаться в направлении оси X, в направлении оси Y и может вращаться вокруг оси Z. Твердое тело, свободно движущееся в пространстве, имеет шесть степеней свободы. В качестве общего правила можно сказать, что чем больше степеней свободы имеет объект, тем сложнее и определить и устранить колебания.

Подрессоренная и неподрессоренная масса

Если автомобиль движется по неровной поверхности, весь кузов подпрыгивает и приседает. При этом кузов начинает колебаться по вертикали, что приводит к дискомфорту для пассажиров, так как присутствуют нежелательные движения (колебания) всего автомобиля. Теперь поведение автомобиля полностью определяется подрессоренной и неподрессоренной массой и взаимоотношением между ними. В упрощенном виде автомобиль можно рассматривать состоящим из двух основных частей: верхняя часть (кузов в сборе, подрессоренная масса), опирающийся на подвеску, и нижняя часть, состоящая из мостов, шин и колес (неподрессоренная масса). Большая подрессоренная масса в сочетании с гораздо меньшей неподрессоренной массой обеспечивает медленные колебания с большой амплитудой, в то время как при малой подрессоренной массе в сочетании с большой неподрессоренной массой создаются быстрые колебания с малой амплитудой. Можно утверждать, что чем больше подрессоренная масса, тем выше комфортабельность езды, так как кузов меньше колеблется и, в любом случае, частота колебаний ниже. С другой стороны, в случае большой неподрессоренной массы автомобиль проявляет большую склонность к колебаниям (подпрыгиванию). Это связано с тем, что подпрыгивание представляет собой резонанс подрессоренной массы, наложенной на колебания неподрессоренной массы. Обычно если возникают такие колебания, можно говорить о некомфортабельной езде.

Движение подрессоренной массы обычно связано с компоновкой и с состоянием подвески и возникает на неровных дорогах. Если возникают раскачка, крены или колебания, то в основном жалуются на недостаточный комфорт и плохую связь с дорогой. В этом случае следует обязательно проверить состояние пружин и амортизаторов, а также произвести стандартную проверку, чтобы убедиться в отсутствии ослабленных или погнутых деталей. Если автомобиль новый, следует также проверить давление в шинах и убедиться, что с подвески сняты все транспортировочные приспособления. В основном, все то же самое справедливо для движения неподрессоренной массы. Раскачка, подпрыгивание и колебания вокруг центра тяжести: следует проверить состояние подвески и амортизаторов, а также давление в шинах. Подпрыгивание вызвано резонансом подрессоренной массы (1 5 Гц), наложенным на колебания неподрессоренной массы (10 15 Гц). Убедитесь, что установлены оригинальные детали. Если все в порядке, выясните манеру езды и условия эксплуатации, при которых возникают проблемы. Это может быть нормальным явлением при езде по плохой дороге. При необходимости проведите сравнение с другим автомобилем, у которого подобные проблемы отсутствуют. В случае шума скручивания (вызывает жужжание/рокот) ситуация несколько иная, так как в этом случае возникают резонансные колебания подвески, обусловленные реактивной силой на чашке дифференциала в момент приложения крутящего момента. Так как крутящий момент двигателя изменяется, частота колебаний крутящего момента изменяется с частотой вращения двигателя. Если частота этих колебаний близка к собственной частоте колебаний подвески, возникают колебания скручивания. Это передается на кузов автомобиля и ведет к появлению рокота. Обычно такая вибрация возникает, если автомобиль разгоняется с малой скорости на высокой передаче. При увеличении оборотов двигателя эта вибрация обычно исчезает. Проверьте состояние вместе с клиентом. Если автомобиль (подвеска) в удовлетворительном состоянии, сравните с другим автомобилем. При необходимости предложите клиенту использовать более низкую передачу при разгоне с очень малой скорости, чтобы исключить этот шум.

Движения автомобиля

Чтобы точно и понятно описать поведение/движение кузова автомобиля, следует использовать правильные термины. В определенной степени все возможные движения присутствуют даже в полностью исправном автомобиле. Пассажиры не должны замечать, прежде всего, тряски. Существует два типа тряски. Это вертикальная тряска и боковая тряска. Эти колебания возникают при скорости около 80 км/ч и более (однако на плохой дороге могут проявиться и при меньшей скорости, от 40 до 70 км/ч). Весь кузов автомобиля трясется вверх/вниз или влево/вправо соответственно. Так как воздух в шасси тоже движется, внутри автомобиля возникают резонансные явления, приводящие к рокоту. Этот шум тяжело действует на уши. Как правило, тряска имеет частоту около 10-30 Гц. Источниками тряски могут быть неровности дорожного покрытия, не отбалансированные/ неоднородные шины или чрезмерный износ ступичных подшипников. Наиболее вероятной причиной тряски являются шины. Возникающие колебания передаются на кузов и, если их частота близка к собственной частоте колебаний кузова автомобиля, это приводит к упругим колебаниям кузова. Эта вибрация ощущается поясницей и бедрами, кроме того, может сильно вибрировать рулевое колесо.

Колебания и звук

До сих пор мы говорили о вибрации. В случае чистой вибрации ничего не слышно, но если дотронуться до вибрирующего тела рукой, вибрацию можно ощутить. Если снова убрать руку, ничто не будет говорить о вибрации. В целом, звук — это всего лишь колебания. Разница лишь в том, что колеблется воздух. Эти колебания распространяются по воздуху точно так же, как волны распространяются по воде, если туда брошен камень. Способ распространения волн по воде, с повторяющимися пиками и впадинами, идентичен способу распространения звуковых волн по воздуху, с повторением участков высокой и низкой плотности воздуха (сжатые волны). Тон звука определяется его частотой. Чем ниже частота звука, тем ниже его тон, и наоборот. Например, звук малого барабана воспринимается как высокий тон, а звук большого барабана воспринимается как низкий тон. Интенсивность звука определяется амплитудой, с которой колеблется мембрана барабана. Она пропорциональна энергии (амплитуде), с которой звук распространяется по воздуху. Мы можем слышать не все звуки, так как человеческое ухо способно воспринимать лишь определенный частотный диапазон. Воспринимаемый нами диапазон частот приведен на графике, в то время как некоторые шумы, возникающие в автомобиле, обозначены их частотным диапазоном. Колебания воздуха обычно называют звуком (шумом). Эти вибрации воспринимаются ушами и в большинстве случаев их нельзя определить на ощупь (при касании). Существует два способа уменьшения громкости раздражающего звука: шумоизоляция и звукопоглотители. Шумоизоляция образует барьер на пути распространения звука. Эффективность шумоизоляции зависит от звуконепроницаемости (отсутствие зазоров) и от размеров шумоизоляции. Шумоизоляция наиболее эффективна для высоких частот. Звукопоглотители преобразуют энергию звука в тепло (в большинстве случаев количество выделяемого тепла настолько мало, что его нельзя ощутить, но его можно измерить с помощью высокоточных приборов). Хорошие звукопоглотители требуют применения сложных конструкций, улавливающих звук вместо того, чтобы отражать его обратно в воздух.

Усиление вибрации и звука

Как уже было сказано, колеблющееся тело является источником шума. Очень часто при поиске источника шума ориентируются на создаваемый звук. Если источником является непосредственно колеблющееся тело, сделать это относительно просто. Но если источник не создает звук непосредственно, а только возбуждает колебания в другой детали, которая и формирует звук, то выявить фактический источник звука иногда бывает достаточно сложно, особенно если внимание привлечено к области образования звука. На рисунке приведен типовой пример такой ситуации. (Относительно небольшая) вибрация двигателя вынуждает выпускную систему колебаться в резонанс, при этом колебания уже усиливаются. Затем вибрация передается на кузов автомобиля через подвесы глушителя. При этом кузов автомобиля начинает вибрировать в резонанс с двигателем, и воздух внутри автомобиля также вибрирует: образуется рокочущий звук. Аналогичное явление происходит при передаче шума выпуска или шума впуска на кузов автомобиля, что приводит к образованию рокота. Однако, в этом случае передача шума осуществляется посредством волн сжатого воздуха, и поэтому шум не пропадает, даже если убрать подвесы глушителя. Причиной образования рокота является то, что звук высокого тона устраняется, однако звук низкого тона остается и даже усиливается за счет акустических характеристик глушителя. В зависимости от фактического состояния у водителя может сложиться впечатление, что источником звука является, например, задняя панель, так как кажется, что звук идет оттуда. То же самое относится и к системе впуска, так как в этом случае корпус воздушного фильтра выступает в роли резонатора. В обоих случаях уместно сравнение с работой стереосистемы. При поиске и устранении неисправности важно понимать, что устранение только одной из ступеней усиления не приведет к исключению попадания звука в салон автомобиля.