Автоколебания управляемых колес (шимми)

При больших скоростях движения автомобиля возникает особый вид колебаний управляемых колес – автоколебания. Особенностью автоколебаний является то, 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 шкворней при полностью неподвижном рулевом колесе. Частота их колебаний, в зависимости от конструктивных особенностей рулевого управления и подвески, лежит в пределах 10…30 Гц, а амплитуда, при неблагоприятных условиях, может достигать нескольких градусов. 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 этой оси относительно шкворней. Из теории гироскопов известно, что при повороте оси вращения быстро вращающегося тела (гироскопа) возникает момент, действующий на эту ось в плоскости, перпендикулярной той плоскости, в которой происходит ее поворот (гироскопический момент). В плоскости чертежа гироскопический момент будет действовать в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. Каждое из управляемых колес автомобиля также представляет собой гироскоп, ось этого гироскопа может наклоняться как в вертикальной плоскости за счет деформации шин (рис. 53), так и в горизонтальной плоскости относительно шкворней. Как уже указывалось выше, из-за упругости деталей рулевого управления поворот управляемых колес относительно шкворней может происходить и при закрепленном рулевом колесе. На рис. 53 упругое рулевое управление условно заменено пружиной С_ру.

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 гладкой дороге. Если бы такое 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 подвеску потерь на гистерезис в шинах и особенно сопротивления амортизаторов подвески эти колебания были бы быстро погашены.

При движении автомобиля из-за вращения колес при одновременном наклоне их осей вращения на каждое из колес будут действовать гироскопические моменты М_г1, поворачивающие колеса вокруг шкворней при закрепленном рулевом колесе. Поворот колес вокруг шкворней, в свою очередь, вызовет появление гироскопического момента М_г2. Этот момент по законам теории гироскопа действует в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота колес вокруг шкворней, т.е. в вертикальной плоскости (плоскости чертежа на рис. 53) и вызывает поворот оси, как показано на рис. 53, за счет деформации шин.

При определенных условиях (определенный интервал скоростей движения, зависящий от параметров подвески и рулевого управления) направление гироскопического момента овладеет 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 шкворней. В связи с этим, несмотря на потери энергии, сопровождающие колебания колес, как в вертикальной плоскости, так и относительно шкворней, эти колебания оказываются незатухающими.

Рис. 53. Схема возникновения автоколебаний

Для восполнения потерь энергии нужен какой-то посторонний источник, в то время как гироскопические упругие моменты являются внутренними силами системы подвеска – рулевое управление. Внешним источником, восполняющим потери, связанные с колебаниями колес, как в вертикальной плоскости, так и относительно шкворней, является энергия двигателя. При поворотах колес относительно шкворней увеличивается сопротивление их качению, а, следовательно, и потребная 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, упруго-гироскопическая связь между колебаниями колес в вертикальной и горизонтальной плоскостях только служит 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 шкворней 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, показывает, 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.