В автомобильной промышленности за последние годы выполнено много работ для определения индексов комфорта или показателей качества для подсистем транспортных средств, важнейшим из которых является рулевое управление. Однако при исследовании и совершенствовании систем и агрегатов рулевого управления автомобилей необходимо уделить особое внимание вопросам вибронагруженности и оценке вибрационных параметров этих конструкций.
Из всех вибрирующих поверхностей, с которыми водитель контактирует, рулевое управление особенно важно из-за чувствительности тактильных рецепторов кожи рук и в связи с отсутствием промежуточных структур, таких как обувь или одежда, которые могут снижать вибрацию (рис. 1).
Рис. 1. Система рулевого управления автомобиля
Рулевое колесо обеспечивает водителей транспортных средств ощущением вибраций на руки, которая дает тактильную обратную связь с автомобилем и дорогой. Вибрация рулевого колеса может повлиять на суждения водителя о комфорте. Манера, в которой вибрация рулевого колеса влияет на комфорт, является сложной и может зависеть от величины колебаний, частоты колебаний, направления вибрации, расположения контактов с руками и положения рук (рис. 2).
Рис. 2. Вибрация и ее воздействия: а – оси вибрации на рулевом колесе, б – основные источники вибрационных воздействий на водителя в автомобиле
Рис. 3. Анализ структурной вибрации автомобиля с точки зрения «источник – путь – получатель»
Двигатель, колеса и шины и поверхность дороги (рис. 3) производят различные формы вибраций, передающихся на рулевое колесо через рулевой вал [3, 7]. Основные вибрации от полотна дороги – в диапазоне частот до 30 Гц, следовательно, необходимо иметь значения собственных частот выше (рис. 4).
Также электрическая система усилителя руля может генерировать вибрации, ощущаемые затем на рулевом колесе. Электронная система стабилизации курсовой устойчивости (система EPS) оснащена электродвигателем для «помощи» крутящему моменту рулевого управления и использует торсион с датчиком для оценки крутящего момента от водителя.
Рис. 4. Спектральная плотность ускорений вибрации рулевого колеса [3, 7]: а – загородные дороги ( 80 км/ч); b – дорога с выбоинами (60 км/ч); c – каменистые дороги (20 км/ч); d – крышки люков (60 км/ч); f – улицы города (50 км/ч); h – автомагистрали (96 км/ч)
Согласно анализу структурной вибрации автомобиля, на рис. 5 показаны результаты моделирования динамики [4]. Из диаграммы видно, что имеется точка пика около 30 Гц в результате жесткости торсиона. Если возмущение несет частоту колебаний около собственной частоты, водитель будет чувствовать неблагоприятное «ощущение» на рулевом колесе.
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика системы рулевого управления электрическим управлением (ЕУР) и без него
Исследованиями [5, 8, 10] установлено, что колебательные спектры систем рулевого управления могут достигать частот 300…350 Гц. Однако вибрационная энергия сосредоточена в основном в диапазоне между 10 и 60 Гц. Установлено также, что вибрация может передаваться на рулевое колесо с наибольшей эффективностью в диапазоне частот около 20…30 Гц.
Рис. 6. Вертикальное и горизонтальное направления вибрации рулевого колеса
Методы оценки эффекта вибрации для определения количественной оценки тяжести передающейся на руки человека вибрации приведены в работе [9]. В этой работе исследован диапазон частот от 3 до 300 Гц и сделан вывод, что нет никакой разницы в восприятии человеком вертикальной и горизонтальной вибрации (рис. 6).
Ныне действующие международные стандарты для оценки локальной вибрации [1, 2] определяют единственную оценку частоты – Wh, для оценки воздействия на человека вибрации, передаваемой по любой оси. Оценка частоты Wh указывает наибольшую чувствительность к ускорению на частотах между 8 и 16 Гц и снижение чувствительности к ускорению пропорционально частоте на частотах выше 16 Гц (рис. 7).
Поскольку укрупненно система рулевого управления состоит из рулевого колеса и рулевой колонки, то эти компоненты испытывают вибрации, поступающие извне (от дороги) и возбуждаемые внутри (двигателем) автомобиля [6]. Рулевая колонка, как правило, крепится болтами к раме транспортного средства. Традиционное конструкторское решение для устранения передачи вибрации – добавить между рулевой колонкой и кузовом автомобиля настроенный демпфер, чтобы минимизировать вибрации, передающиеся на руль. Такое решение несколько громоздко из-за своего веса и необходимых настроек.
Рис. 7. Эквивалентные контуры комфорта для условных величин ощущений от 25 до 200 (100 соответствует 5,0 мс-2 при 50 Гц) и оценки вибрации Wh согласно ISO 5349-1, 2001 [1]
Одной из важнейших функций системы рулевого управления является передача рулевых воздействий от водителя на колеса. Следовательно, к системе рулевого управления выдвигаются противоречивые требования. С одной стороны, рулевая система должна быть «жесткой» (или «твердой») для передачи воздействий водителя на колеса и для долговечности, с другой стороны, рулевая система должна быть «мягкой» для комфорта (или с высокой способностью «гашения», «поглощения» колебаний).
Поэтому в целях повышения показателей качества для транспортных подсистем необходимо обобщить результаты исследования виброакустических и прочностных параметров [8] и выработать единую методику расчета вибрационных параметров рулевого управления автомобиля.