Вибрации шин

До сих пор шина рассматривалась как механизм для генерации сил, с помощью которых транспортное средство может управляться при торможении и в поворотах. Что касается динамики езды, видно, что она ведёт себя в первую очередь как пружина, которая поглощает неровности дороги и взаимодействует с вертикальными движениями корпуса и неподрессоренных масс. Однако, шина также представляет собой динамическую систему с резонансами, которые влияют на передачу вибраций транспортному средству и могут взаимодействовать с резонансами транспортного средства [15].

Относительно большая часть массы шины сосредоточена в протекторе, который соединён с колесом гибкими боковыми стенками. Это сочетание массы и гибкости позволяет протектору резонировать под воздействием неровностей дороги. На Рисунке 10.28 приведены примеры первых трёх резонансов шины в вертикальной плоскости, связанных с её формой.

(* Примечание: судя по рисункам, речь идёт именно о форме резонансов, а не о гармониках.)

Рис. 10.28. Первый, второй и третий вид резонансов шины.

Первый вид, который для шины легкового автомобиля будет происходить где-то в районе 60 Гц, включает в себя простые вертикальные движения всей полосы протектора без искажений. Этот режим легко возбуждается вертикальным воздействием на собственной частоте в пятне контакта. Поскольку вся полоса протектора движется вверх и вниз в унисон, сила, связанная с резонансом, передаётся на колесо и ось.

Второй вид отличается от первого в том, что полоса протектора колеблется в виде эллипса, всегда оставаясь симметричной относительно вертикальной и горизонтальной осей. Движение верхней и нижней части протектора всегда не в фазе, так что нет результирующей вертикальной силы, прикладываемой к колесу. (Точно так же нет результирующей силы, действующей вперёд-назад.) Хотя такой резонанс может быть возбужден вертикальными воздействиями в пятне контакта, шина очень эффективно поглощает такое воздействие и не передаёт силы на ось. Аналогичным образом резонансы шины третьего и более высоких порядков очень эффективно поглощают дорожные воздействия, не передавая их на колесо и ось.

В промежутке между этими видами резонансов шина обладает анти-резонансным поведением, характеризуемым сильно асимметричным искажением формы протектора и небольшой подвижностью в пятне контакта Такая асимметрия движения приводит к несбалансированным силам, действующим по окружности колеса таким образом, что результирующая сила передаётся колесу. Тот факт, что пятно контакта является стационарным, означает, что на этой частоте шина выглядит как очень жёсткий, а не гибкий элемент по отношению к дорожным воздействиям.

От этой простой картины, где шина выглядит как резонансная система, можно перейти к пониманию динамического поведения шины при передаче дорожных вибраций на шасси автомобиля. Такая система может быть охарактеризована путём изучения нескольких относящихся к этому свойств. На Рисунке 10.29 приведены экспериментальные измерения радиальной шины, смонтированной на легковом автомобиле, подвергаемой вертикальным воздействиям в пятне контакта [15].

Рис. 10.29. Свойства резонансов шины, измеренные на автомобиле.

Коэффициент передачи (трансмиссивность, transmissibility) на этом графике определяется как отношение ускорения на оси к единице смещения дороги в пятне контакта. Первый пик чуть ниже 20 Гц является резонансом подпрыгивания оси, в котором шина выступает в качестве первичного элемента жёсткости, поддерживающего неподрессоренную массу. Больший интерес представляют несколько пиков на высоких частотах. Обратите внимание, что они происходят на частотах, находящихся между резонансами шины (то есть, в анти-резонансных точках), соответствуя пикам в коэффициенте передачи, а также пикам жёсткости пятна контакта шины (сила, действующая на шину, на единицу дорожного смещения).

Такая несколько упрощённая картина динамики шины намекает на силы, которые будут воздействовать на колесо автомобиля. Рисунок 10.30 показывает измеренный спектр сил, когда шина легкового автомобиля сталкивается с небольшим препятствием на скорости 30 футов в секунду [16]. Данные представлены как для радиальных, так и для диагональных шин, и для сил в вертикальном и продольном направлениях.

Рис. 10.30. Измеренный спектр сил при наезде колеса на препятствие.

В вертикальном направлении радиальная шина отличается повышенной амплитудой силы в диапазоне частот от 50 до 100 Гц. Из предыдущего обсуждения можно было бы ожидать, что такое поведение является результатом высокого коэффициента передачи в анти-резонансных точках в этом диапазоне частот для шин с радиальным кордом. Очевидно, что диагональные шины гораздо лучше в этом диапазоне.

Пожалуй, более важное различие между двумя типами шин наблюдается в спектре продольного отклика. За исключением узкой полосы частот от 15 до 20 Гц, радиальные шины более чувствительны в продольном направлении, чем диагональные шины. Больший коэффициент передачи на более высоких частотах указывает на более высокую эффективную жёсткость в продольном направлении. Более высокий коэффициент передачи радиальной шины вблизи 10 Гц является одним из ключевых отличий, который потребовал "поездки для регулировки" ("ride tuning"), когда радиальные шины были впервые представлены на американском автомобильном рынке. На транспортных средствах, исторически сконструированных на диагональных шинах, применение радиальных шин создаёт большую вибрацию подвески вперёд/назад, требуя добавления дополнительной продольной гибкости в подвесках, чтобы предотвратить передачу корпусу этих вибраций.