Virpesiai automobilyje

Virpesiai automobilyje

2005-sausis

1. Trumpa virpesių mokslo istorija

Žmonės pradėjo domėtis virpesiais, kai pasirodė pirmieji muzikos instrumentai. Tačiau net ir labai apibendrinti dėsningumai, susiję su muzikos menu, ir senaisiais lakais vargu ar galėjo būti pavadinti moksliniais. Jau daugiau nei 400m.p.m.e.eant Egipto mauzoliejų sienų pasirodė styginių instrumentų- arfų atvaizdai.

Vieną iš primityviausių styginių instrumentų, sukurtų 1500m.p.m.e.ir pavadintą naga, galima pamatyti Britų muziejuje. Dabartinė mūsų muzikos sistema yra susijusi su senosios Graikijos civilizacija. Nuo tų laikų tiek muzikai, tiek filosofai ieškojo garso atsiradimo dėsnių ir taisyklių, rėėmėsi jomis kurdami muzikos instrumentus ir perduodavo iš kartos į kartą.

Graikų filosofas ir matematikas Pitagoras (582-507m.p.m.e.) laikomas pirmuoju, moksliškai pagrindusiu muzikos garsus. Pitagoras eksperimentus su virpančia styga atlikdavo paprastu įrenginiu, vadinamu monochordu. Šiame įrenginyje pastovia jėga tarp įtvirtintų atramų tempiama styga galuose turėjo išilgai stygos stumdomą cilindrinę atramą.

(monochordas)

Apie 350m.p.m.e.Aristotelis parašė traktatą apie muziką ir garsą, kur pažymėjo, kad „balsas yra melodingesnis negu instrumentų garsas“. Ši knyga laikoma seniausia knyga apie instrumentą. Graikai nepaskelbė daugiau veikalų apie garsą.

Senaisiais laikais Kinija paatyrė daugybę žemės drebėjimų. Zan Hengas, II a.kinų istorikas ir astronomas, jautė reikalą turėti įtaisą, kuris galėtų tiksliai išmatuoti žemės drebėjimus. 132 m.jis sukūrė pirmąjį pasaulyje seismografą žemės drebėjimams matuoti.

(seismografas)

Nuo Galilėjaus iki Relėjaus. Galileo Galilėjus (1564- 1642) laikomas modernaus eksperimentinio mokslo kūrėju. Se

eptyniolikto amžiaus laikotarpiu buvo sukurti moderniosios filosofijos ir mokslo pagrindai. Savo veikale „Samprotavimai apie du naujus mokslus“, išleistame 1638m., Galilėjus aprašė virpančius kūnus. Pirmieji tikslūs stygų virpesių skaičiavimai buvo aprašyti prancūzų matematiko ir teologo Marino Merseno knygoje „Laisvi harmoningi“, 1636m. Mersenas laikomas akustikos tėvu.

<.>

2. Virpesių ir dinamikos tyrimų svarba.

Žmogaus veikla vienaip ar kitaip susijusi su virpesiais. Pvz, mes girdime, nes mūsų ausų būgneliai vibruoja, matome šviesos bangų virpesių dėka. Kvėpavimas susijęs su plaučių virpesiais, o ėjimas- su kojų ir rankų judesiais. Kalbame liežuvio virpesių pagalba. Pirmieji virpesių tyrėjai stengėsi suprasti jų prigimtį, kūrė matematines teorijas, aprašančias virpančias fizines sistemas. Neseniai daugelis tyrėjų buvo motyvuojami virpesių inžineriniu pritaikymu naudojant mašinas, pamatus, konstrukcijas, variklius, turbinas ir valdymo sistemas.

Daugelio pirmųjų variklių virpesių prroblema susijusi su šių variklių disbalansu. Disbalansas gali atsirasti dėl blogo projekto ar gamybos trūkumų. Iki šiol inžineriai nemoka išvengti turbinų gedimų dėl mentelių ir disko vibracijų. Visose situacijose konstrukcija ar mašinos mazgas, veikiamas virpesių, gali lūžti dėl medžiagos nuovargio, sukelto įtempimų ciklinio kitimo. Be to, dėl virpesių mašinos dalys, pvz., guoliai, krumpliarašiai greičiau dyla, kelia daugiau triukšmo, gali savaime atsisukti veržlės. Metalo pjovimo procesuose virpesiai kartais sukelia vibracijas, dėl to pablogėja paviršiaus baigiamojo apdirbimo kokybė. Mechanikos inžinieriai bando suprojektuoti va

ariklį arba mašiną taip, kad disbalansas būtų minimalus, tuo tarpu inžinierius statybininkas konstruoja atramą taip, kad disbalanso poveikis nebūtų žalingas.

Visuomet, kai mašiną ar konstrukciją žadinančių virpesių dažnis sutampa su savuoju dažniu, atsiranda rezonanso reiškinys, susijęs su didelėmis amplitudėmis ir lūžiais. Literatūroje yra aprašyta daug tokio pobūdžio katastrofų. Viena ryškiausių- 1940m. nufilmuotas Trakomos (JAV) tilto, pakabinto ant lynų, griuvimas nuo vėjo sukelto rezonanso.

(tilto griuvėsiai)

3. Virpesių matavimas ir taikymas.
Praktikoje matuoti virpesius būtina dėl šių priežasčių:

1)poreikis didinti produktyvumą ir ekonomiškumą verčia didinti darbo greičius ir efektyviai panaudojant medžiagas lengvinti konstrukcijas. Dėl šių tendencijų dažniau susidaro rezonanso sąlygos veikiant mašinai ir sumažėja sistemos patikimumas. Vadinasi, būtina periodiškai matuoti mašinų ir konstrukcijų virpesių charakteristikas norint užtikrinti adekvačius saugumo reikalavimus (išankstinis remontas).

2)teoriškai apskaičiuotos mašinų arba konstrukcijų virpesių charakteristikos gali skirtis nuo realių.

3)virpesių dažnius ir jėgas būtina matuoti kuriant ir eksploatuojant aktyvaus virpesių izoliavimo sistemas (dažnių spektras. Dažnių srities signalas yra virpesių reakcijos amplitudės priklausomybė nuo dažnio, kuri gali būti gauta atliekant greitą bangos formos Furjė analizę. Dažnių spektras teikia informaciją apie mašiną. Mašinos virpesių reakcija atspindi ne tik jos komponentes, bet ir sujungimo bei matavimo sąlygas. Kai mašinoje atsiranda defektų, pasikeičia virpesių lygiai, o kartu ir dažnių spektras. Lyginant sugedusios mašinos dažnių spektrą su geros mašinos dažnių sp

pektru galima nustatyti defekto prigimtį ir vietą. Kita svarbi spektro charakteristika yra ta, kad kiekvienas mašinos besisukantis elementas generuoja identifikuojamą dažnį. Pokyčiai spektre, esant duotajam dažniui, gali būti tiesiogiai priskirti atitinkamam mašinos elementui).

(3,36pav. Ryšys tarp mašinos elementų ir.)

4)virpesių charakteristikų matavimas sistemos įėjime ir išėjime padeda identifikuoti sistemos masę, standumą ir slopinimą.

5)konstruojant mechanines sistemas, mašinas, naftos gręžinių platformas ir automobilių pakabos sistemas, svarbu turėti informaciją apie grunto virpesius žemės drebėjimo metu, vėjo greičio poveikį konstrukcijoms, atsitiktinį vandens bangų pokytį, kelio paviršiaus nelygumus ir t.t.

(kepstras yra sudarytas perstatant raides žodyje spektras. Tokio junginio prasmė yra ta, kad kepstras iš esmės yra spektro spektras. Todėl daugelis terminų, vartojamų spektrinėje analizėje, buvo pritaikyta vartoti kepstrinėje analizėje. Kepstras yra naudingas mašinų motoringumui ir diagnostikai, kadangi jis gali išskirti bet kokį spektro periodiškumą, susijusį su defektų atsiradimu)

(3,37pav. Gerų ir sugedusių gran.)

3.1. Kaip stabdomas automobilis?

Automobilio judėjimo pobūdis priklauso nuo to, kaip jo ratai sąveikauja su keliu (ratų trintis į kelią).

Besiliečiantys kietieji kūnai veikia vienas kitą tam tikromis jėgomis, kuris, kaip teigia trečiasis Niutono dėsnis, yra lygaus didumo ir priešingų krypčių.

(6pav)

šiame paveiksle tos jėgos pavaizduotos R1 ir R2. šių jėgų dedamosios, statmenos sąlyčio paviršiui, pažymėtos N1 ir N2 ir vadinamos normalinio slėgimo jėgomis, o dedamosios, kurių kryptis- išilgai są

ąlyčio paviršiaus liestinės, pažymėtos Ftr1 ir Ftr2 ir vadinamos trinties jėgomis.

Pirmasis sausosios trinties tyrinėtojas Leonardas da Vinčis (1452- 1519). Jo sudaryti bandymai buvo rasti mokslininko užrašuose jau po to, kai trinties dėsnius iš naujo atrado prancūzų mokslininkai Gijomas Amontonas (1663- 1705) ir Šarlis Kulonas (1736- 1806).
1. trinties jėga Ftr yra tiesiog proporcinga normalinio slėgimo jėgai N, t.y. Ftr=kN. (1)
2. trinties jėga nepriklauso nuo kūnų lietimosi paviršiaus ploto.
3. trinties koeficientas priklauso nuo besiliečiančių paviršių savybių.
4. trinties jėga nepriklauso nuo kūno judėjimo greičio.

Vėliau paaiškėjo, kad ketvirtasis dėsnis nėra tikslus: trinties jėga vis dėlto priklauso, nors ir nežymiai, nuo greičio v, kuriuo kūnai slenka vienas kito atžvilgiu (paveiksle ištisine linija parodyta bandymais nustatyta Ftr priklausomybė nuo v, o brūkšnine linija- supaprastinta priklausomybė, atitinkanti 4-ąjį dėsnį).

(7pav)

Kadangi trinties jėga mažai priklauso nuo greičio, tai tos priklausomybės dažnai nepaisoma. Galima sakyti, kad konkrečios medžiagų poros tarpusavio trinties koeficientas yra pastovus dydis, nepriklausantis nei nuo normalinio slėgimo jėgos. Šis teiginys tinka praktiškai visiems kietiesiems kūnams, kol jų greitis nėra per didelis. Todėl tuo įdomesni tokie atvejai, kai trinties koeficientas vis dėlto nebūna pastovus. Vienas iš būdingiausių tokių atvejų- automobilio rato trintis į kelią.

Apie tai, jog padangų trinčiai į kelią netinka kai kurie kietųjų kūnų trinties dėsniai, akivaizdžiai byloja lenktyninių automobilių padangų raida.

(8pav)

Per šešetą metų (nuo 1966 iki 1972) padangos profilio aukščio H ir jos pločio B santykis sumažėjo nuo 0,6 iki 0,3. dėl to padidėjo padangos sąlyčio su kelio danga plotas ir pagerėjo sukibimas. Bet judant kietiesiems kūnams didesnis sąlyčio plotas nepadidina trinties jėgos: padanga, būdama tampri, įsispaudžia į kelio paviršiaus duobeles, todėl ji tuo geriau sukimba su keliu, kuo didesniu plotu prie jo priglunda. Šis efektas tuo stipresnis, kuo padanga minkštesnė. Kad būtų didesnis sąlyčio plotas, padangos protektorius dažnai daromas įgaubto profilio. Pripūtus kamerą, jis išsitiesina ir riedėjimo paviršius pasidaro cilindrinis, o tada sąlyčio su keliu plotas būna didžiausias.

Staigiai stabdant automobilį, jo ratai (dažniausiai visi keturi) nustoje sukęsi ir ima čiuožti keliu. Automobilį stabdo slydimo trinties jėga. Automobilio kelias nuo to momento, kai ima veikti stabdymo sistema, iki visiškai sustoja, vadinamas stabdymo kelias.

Automobilį veikianti trinties jėga
Ftr=kN;
k- trinties koeficientas, N- čiuožiančių ratų slėgimo į kelią jėga. Jeigu automobilis stabdomas visais keturiais ratais, tai pastaroji jėga lygi automobilio sunkiui P=mg; tada Ftr=kmg.

Stabdymo pagreitį randame kaip jėgos ir masės santykį:
a=Ftr/m= kg. (2)

Jeigu prieš stabdant automobilį greitis buvo v0, tai jis nuvažiuos, iki visiškai sustos, kelią
S=v20/(2a)= v20/(2kg). (3)

Koeficiento k vertė priklauso nuo kelio dangos pobūdžo. Čia nagrinėjama bus stabdymas tik ant sauso asfalto. Paprastas bandymas, padangų trinčiai nustatyti: padėkime automobilio padangos gumos gabaliuką ant asfalto ir pradėkime kelti vieną plokštelės kraštą, palaipsniui didinant kampą su horizontalia plokštuma. Nustatykime, koks būna šis kampas a tuo momentu, kai guma pradeda slysti nuo nuožulniosios plokštumos. Slydimas prasideda tada, kai verčianti slysti jėga Fsl= mg sina prilygsta maksimaliai rimties trinties jėgai Ftr= kN= kmg cosa. Iš lygybės Fsl= Ftr, arba mg sina= kmg cosa, randame trinties koeficiento k ryšį su kampu a, kuriuo pakreipus plokštelę, guma pradeda slysti:
k= tga.

Atlikę tokį bandymą su padangos guma ir asfaltu, kampas a»400, taigi trinties koeficientas k»0,8.

(1 lentelė;auto atabdymo kelias)

Pagal lentelę, kurioje yra duomenys įvairių automobilių, važiuojančių 36km/h greičiu, stabdymo kelias, matyti, kad stabdymo kelias priklauso nuo automobilio masės: (3) formulė nerodo jokio stabdymo kelio ryšio su mase.

Matome, kad netinka dėsniai, nustatyti kietiesiems kūnams. Pirma, čia slydimo trinties jėga gerokai mažesnė už maksimalią rimties trinties jėgą, o slystant kietiesiems kūnams, jos apyligės. Be to, trinties koeficientas labai priklauso nuo automobilio masės, o kietųjų kūnų trinčiai jis paprastai lieka pastovus kintant apkrovai labai plačiose ribose.

Trintis sukelia padangos irimą, ir būtent dėl irimo iš esmės pasikeičia tos trinties pobūdis.

Padangų irimas būna įvairus: abrazyvinis dilimas, dilimas dėl nuovargio, bet padangos ir kelio sąveikai stabdant daugiausia turi įtakos dilimas dėl savotiško paviršiaus „nutrynimo“.

Labiausiai dyla dėl „nubraukimo“ minkštos gumos padangos. Gumai slystant viena kryptimi, jos paviršiuje susidaro raštas- pakaitomis einantys iškilimai ir įdubimai, statmeni slydimo krypčiai (Šelamacho raštas).

Dėl padangų dilimo kiekybiškai pakinta trinties pobūdis ir nukrypsta nuo trinties dėsnių, kurie galioja daugumai kietųjų kūnų. Jeigu guma nedyla, trinties koeficientas lygus 0,8; bet kai tik atsiranda nubrauktų gumos dalelių, jis sumažėja iki 0,6 ir dar labiau. Sunkių automobilių stabdymo kelias ilgesnis, nes labiau prispaustą gumą kelias intensyviau ardo, tarp rato ir asfalto atsiranda daugiau gumos ritinėlių ir jų sukeliami efektai būna ryškesni.

Dabar žinome, kodėl vairuotojams nepatariama stabdyti labai staigiai, visiškai užblokuojant ratų sukimąsi. Važiuojant asfaltu, geriausia stabdyti taip, kad ratai būtų ties čiuožimo riba, bet dar nečiuožtų- tada bus didžiausia trinties jėga ir trumpiausias stabdymo kelias. Kai tik ratai ims slysti, trinties jėga staiga sumažės. Kitokiomis sąlygomis, pvz., važiuojant per purų sniegą ar žvyrą, kad būtų trumpesnis stabdymo kelias, naudingiau stabdyti būtent staigiai, nes slystantys ratai sustumia prieš save sniego arba žvyro kauburį, kuris labai stabdo. Ant lygaus ledo taip pat patariama stabdyti staigiai, bet čia trinties koeficiento padidėjimas užblokavus ratus susijęs su sudėtingesniais reiškiniais.

Ratų trintis į kelią įvairiausiais būdais nukrypsta nuo kietųjų kūnų trinties dėsnių ir tai labai sunkina automobilių padangų konstruktorių darbą. Pvz., kad padangos geriau sukibtų su keliu, jas reikia daryti iš minkštesnės gumos, bet tada jos sparčiau „nutrinamos“. Padangas stengiamasi daryti platesnes, nes kuo didesnis kontakto plotas, tuo geriau jos sukimba su keliu; plačios padangos dyla ne taip greitai, kaip siauros; kuo didesnė padanga, tuo palankesnis jos šiluminis režimas. Labai įkaitusi padanga lydosi ir trinties koeficientas staiga sumažėja. Todėl trinantis išsiskiriančią šilumą stengiamasi paskirstyti kuo didesniame plote, kad guma neišsilydytų. Lenktyninių automobilių padangos, siekiant minėtų pranašumų, kartais daromos plačios ir lygios (be įspausto rašto). Tačiau paprastiems lengviesiems automobiliams tokios padangos visai netinka. Ant šlapio kelio lygios padangos pasidaro automobiliui tarsi vandens slidės: ratai ima slysti plona vandens plėvele neliesdami kelio paviršiaus, ir automobilis pasidaro nevaldomas. Šis reiškinys vadinamas akvaplaniravimu. Jis prasideda tuo greičiau, kuo padangos platenės. Plačios padangos geriau sukimba su sausu keliu, bet mažiau saugios ant šlapio kelio. Norint išvengti akvaplaniravimo, reikia išstumti vandenį iš padangos ir kelio sąlyčio zonos, todėl tenka atsisakyti lygaus padangos paviršiaus, daryti jį reljefinį, kad grioveliais ištekėtų vanduo.

Oro pasipriešinimo jėga pasiskirsčiusi tam tikrame automobilio paviršiuje, bet ją galima pakeisti atstojamąją jėga, veikiančia vieną tašką. Tas taškas vadinamas metacentru, ir daugelyje automobilių jis sutampa su masės centru. Automobiliui važiuojant tolygiai dideliu greičiu, oro pasipriešinimo jėga veikia tam tikru aspektu panašiai kaip ir inercijos jėga: atsiradus pagreičiui, keičia apkrovos pasiskirstymą tarp priekinių ir užpakalinių ratų. Greitėjant priekinių ratų apkrova sumažėja, ir automobilis blogiau paklūsta vairui. Lengviesiems automobiliams šis efektas nedaro pastebimos įtakos, bet greitų lenktynių automobilių valdymo pasunkėjimas labai pastebimas. Kad to nebūtų, lenktyninių automobilių korpusas daromas savitos formos, įmantriai išlankstomas kėbulas. Užlenkti į viršų priekinis apatinis ir užpakalinis viršutinis kėbulo kraštai vadinami spoileriais. Spoilerių paskirtis- nukreipti į viršų oro srautą ir sudaryti jėgą, kuri spaustų automobilį prie kelio. Tuo pačiu tikslu prie kai kurių automobilių pritaisomi sparnai: jie pranašesni už spoilerius tuo, kad galima, keičiant sparno atakos kampą, reguliuoti slėgimo jėgą (o ji nemenka:esant „vos“ 320 km/h greičiui, slėgimo jėga gali prilygti automobilio sunkiui).

Ir sparnai, ir spoileriai turi vieną aiškų trūkumą: jis efektyviai veikia tik kai didelis greitis, o kol greitis mažas, jų sudaroma jėga per nelyg maža, kad turėtų esminės įtakos automobilio judėjimui. Kad slėgimo jėga kuo mažiau priklausytų nuo automobilio greičio, naudojamos sistemos orui siurbti iš po kėbulo.

Automobiliui įsibėgėjant užpakalinių ratų apkrova padidėja, o priekinių sumažėja. Stabdant bus priešingai- priekiniai ratai bus labiau spaudžiami prie kelio, o užpakalinių apkrova sumažės. Tam tikrais atvejais (kai stabdoma leidžiantis nuo kalno ir dideliu greičiu) užpakaliniai ratai gali visai atitrūkti nuo žemės, o jeigu priekiniai ratai stabdys ir toliau, automobilis gali ir apvirsti, „atlikęs salto“ į priekį. Tokių atvejų, nors ir retai, būna.

Kadangi priekiniai ratai, veikiami padidėjusios apkrovos, stipriau prisispaudžia prie kelio, tai jie turi stabdyti efektyviau nei užpakaliniai. Tai padeda gauti didžiausią stabdymo jėgą. Daugumos lengvųjų automobilių priekiniai stabdžiai dėl to daromi galingesni negu užpakaliniai, atitinkamai parenkant stabdymo mechanizmą.

Šoninis slydimas („nešimas į šoną“)- tai dažnas ir būdingas reiškinys.

Tokios sąlygos, kad ir priekiniai, ir užpakaliniai ratai pradėtų slysti vienu metu, pasitaiko retokai,- dažniau slysta arba tik priekiniai, arba tik užpakaliniai ratai. Tuomet automobilis pasisuka apie vertikalią ašį ir tampa nevaldomas.

Tiesiame kelyje šoninis slydimas dažniausiai pasitaiko automobiliui staigiai pajudant iš vietos ar stabdant. Skersinės jėgos tuomet atsiranda dėl kelio skersinio nuolydžio arba dėl stabdymo jėgos, veikiančios kairįjį ir dešinįjį ratą, skirtumo. Posūkyje šoninis slydimas pasitaiko dažniau negu tiesiame kelyje, nes tada veikia gana didelės skersinės jėgos (jeigu automobilis važiuoja apskritimine trajektorija pastoviu greičiu, tai jis turi pastovaus didumo pagreitį, nukreiptą link apskritimo centro;neinercinėje atskaitos sistemoje, susietoje su automobiliu, veikia inercijos jėga, kurios kryptis priešinga pagreičio inercinės sistemos atžvilgiu krypčiai; taigi inercijos jėga veikia nuo centro- ji yra išcentrinė; būdama statmena automobilio judėjimo krypčiai, ji ir sukelia šoninį slydimą posūkyje).

Daugelyje inžinerinių sistemų žmogus veikia kaip integruojanti sistemos dalis. Virpesių veikiamas žmogus jaučia diskomfortą, sumažėja jo darbingumas. Prietaisų skalės virpesiai trukdo stebėti rodmenis. Virpesiai daugeliu atveju gali būti pritaikomi naudingai. Vibruojančių įrenginių kasmet daugėja. Pvz., virpesiai palengvina transporto, skalbimo, sijojimo, surinkimo, pjovimo ir kitus procesus.

Automobilių teorijos ir su ja susijusių mokslų raidai yra daug nusipelnę tokie žymūs mokslininkai, kaip H. Hercas, N. Žukovskis, S. Čaplyginas, M. keldyšas, J. Čiudakovas. Automobilis fizikai- labai įdomus objektas.

Turinys

1. Trumpa virpesių mokslo istorija............
2. Virpesių ir dinamikos tyrimų svarba..........
3. Virpesių matavimas ir taikymas............

3.1. Kaip stabdomas automobilis...........

Naudota literatūra
1. „Mechaninių konsrukcijų dinamika ir modeliavimas“ (V. Ostaševičius)
2. „Fizika aplink mus“ (S. Chilkevičius)
3. „Kas domina fizikus šiandien“ (fizikos mokykla)
4. „Elektrotechnikos medžiagotyra“ (N. Nikulinas)
5. „Elektrotechnika“ (V. Kitajevas)

Leave a Comment