Эффект шимми

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Вобблинг»)
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эффект шимми (англ. wobble[1], speed wobble[2], tank-slapper[3], death wobble[4]) — возникновение быстрых колебаний (частотой 4…10 Гц), как правило, на рулевых колесах транспортного средства. В момент возникновения шимми транспортное средство в целом не подвержено влиянию колебаний, однако с нарастанием их амплитуды происходит потеря управления из-за усиливающегося рыскания. Угроза развития шимми теоретически существует у любых транспортных средств с одной точкой приложения управляющего воздействия при наличии достаточной степени свободы рулевого колеса, например, мотоциклы, велосипеды и скейтборды, а кроме того, трёхколёсные легкие самолёты, способные на земле развивать скорость свыше 80 км/ч. На большинстве автомобилей эффект шимми существенно не проявляется. Нестабильность, предшествующая развитию эффекта, возникает, как правило, на больших скоростях и по ощущениям примерно соответствует характерным колебаниям колес магазинных тележек или поведению самолётного шасси во время приземления[5][6].

Физика явления[править | править код]

Основная опора шасси предсерийного самолёта Як-42 с гидравлическим гасителем колебаний «шимми»
Пример системы «пружина-груз».

При установившемся режиме колебаний наибольшую роль играют для механизма: низкий коэффициент демпфирования в системе второго (или выше) порядка, а также положительная обратная связь. Примером системы второго порядка с низким коэффициентом демпфирования является простейшая система «пружина-груз», в которой груз перемещается вверх и вниз (колеблется), будучи подвешенным на пружине.

В момент получения импульса, толкающего колесо в сторону, противоположную отклонению от курса, часть энергии гасится амортизатором, что автоматически увеличивает следующий интервал времени отрыва колеса от дорожного полотна — когда рама и амортизатор отработают обратный ход и произойдёт переброс руля в противоположную сторону. В результате возникает положительная обратная связь, ведущая к нарастанию колебаний с частотой 4…10 Гц управляемого колеса относительно курса. Причиной возникновения такой реакции могут послужить неправильно рассчитанные характеристики амортизаторов, пружин подвески, неровности дороги, особенно периодического характера (покрытие типа «стиральная доска»), характер разгона и т. д.

С точки зрения ТАУ шимми — неустойчивость системы регулирования, включающей в себя, кроме конструкции руля, вилки, амортизатора и пр. и действия водителя.

Если возникновение шимми при эксплуатации невозможно исключить во время разработки конструкции системы, возможно применение специального рулевого депмфера. Данное устройство представляет собой реализацию полосно-заграждающего фильтра, предназначенного для гашения эффекта шимми на известных частотах[7].

Явление шимми обычно связывается с деформацией шины колеса. Однако оно наблюдается и на недеформируемых (стальных) колёсах. Как показано В. Ф. Журавлёвым и Д. М. Климовым[8], шимми полностью объясняется, если, помимо обычно рассматриваемых в литературе сил, ввести многокомпонентные силы сухого трения.

Эффект шимми на двухколесных транспортных средствах[править | править код]

Эффект шимми (то есть колебания) проявляется, когда колесо получает по какой-либо причине боковое ускорение в условиях незначительного в другое время технического несовершенства. К таким несовершенствам можно отнести неидеальные характеристики колеса: отклонение от плоскостности, отклонение от круглости, недостатки в балансировке[9]. Колесо при вращении передает цикличную нагрузку на раму транспортного средства. При совпадении частоты этих колебаний с частотой собственных колебаний системы (то есть транспортного средства со всем перевозимым грузом) возникает резонанс, который может приводить к развитию шимми[9]. При дальнейшем вращении колеса на него начинает действовать сила реакции рамы, из-за чего колесо получает ускорение в противоположную сторону. Весь процесс повторяется на последующих оборотах колеса при последующих воздействиях технического несовершенства. Если при этом демпфирование в системе рулевого управления недостаточно, амплитуда колебаний будет увеличиваться вплоть до разрушения системы. Частоту колебаний можно изменять посредством изменения скорости поступательного движения, увеличения или уменьшения жесткости транспортного средства, а также увеличением жесткости системы рулевого управления, главным компонентом которой является водитель[5]. Несмотря на то, что интенсивность проявления эффекта шимми можно легко снизить уменьшением скорости движения, изменением положения руки на руле и силы его хвата, при отсутствии контроля эффект шимми может быть катастрофическим[10].

При равенстве других факторов, эффект шимми более характерен для шоссейных транспортных средств, нежели для их горных вариантов. Это объясняется тем, что на горных транспортных средствах, как правило, устанавливается подвеска, в существенно большей степени демпфирующая раму. Кроме того, развитый протектор на шинах работает как дополнительный демпфер колебаний от дорожного покрытия[9].

Поскольку частота колебаний зависит от скорости движения, эффект гироскопа не является существенным для развития явления[5]. Для мотоциклов были найдены пять основных факторов, влияющих на возникновение эффекта шимми: жесткость боковых поверхностей шины переднего колеса, жесткость амортизатора рулевого колеса, высота центра масс, расстояние от центра масс до заднего колеса, угловое сопротивление шины переднего колеса[6][11].

Согласно отчету об экспериментальных исследованиях и компьютерном моделировании эффекта шимми, было показано влияние на режим колебаний характеристик шины переднего колеса, инерции передней рамы велосипеда и жесткости шасси. Точнее, было показано, что при увеличении давления в шине переднего колеса, увеличении жесткости шасси и инерции передней рамы относительно оси поворота рулевого колеса, а также при уменьшении сопротивления боковому скольжению шины переднего колеса, достигается усиление эффекта демпфирования режима колебаний, что увеличивает стабильность транспортного средства[12].

Борьба с шимми[править | править код]

Теория возникновения шимми на автомобилях разработана в СССР академиком Е. А. Чудаковым в середине 30-х годов XX века. Борьба с шимми на автомобилях сводится к закладке в конструкцию передней подвески параметров, обеспечивающих самостабилизацию колес — статическую (развал, кастер) и динамическую (схождение и тщательная балансировка самих колес, обязательное демпфирование подвесок). Первым серийным автомобилем с подвеской, рассчитанной на противостояние возникновению шимми, был отечественный ГАЗ-М1.

Возможности выхода из шимми на мотоцикле: вначале — открытие газа (ускорение), расслабление рук, перенос веса тела ближе к задней оси. Далее, на «раскачке»: на прямых — сильное плавное торможение задним колесом; в поворотах — общепринятой тактики не существует.

Эффективна установка рулевого демпфера для компенсации колебаний. Крайне важны балансировка переднего колеса, качество покрышки, исправность вилки, правильно выбранная жёсткость амортизатора.

Мстислав Всеволодович Келдыш на рубеже 1930-1940-х годов изучал эффект шимми. В 1945 году вышла его работа «Шимми переднего колеса трехколесного шасси / М. Келдыш. — М.»

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Robin S. Sharp. Dynamical Analysis of Vehicle System: Theoretical Foundations and Advanced Applications / W. Schiehlen. — Dynamic of Motorcycles: Stability and Control: Springer, 2009. — С. 183…199. — 304 с.
  2. Your Motorcycle. How to make it handle better (англ.) // Popular Mechanics : журнал. — 1978. — May (vol. 149, no. 5). — P. 97, 100. — ISSN 0032-4558.
  3. David L. Hough. Proficient Motorcycling: The Ultimate Guide to Riding Well. — Glossary: BowTie Press, 2000. — С. 253. — ISBN 1-889540-53-6.
  4. Trenton McGee. 4x4 Suspension Handbook. — Chapter 4: The Infamous "Death Wobble": CarTech Inc, 2008. — С. 54. — 144 с. — ISBN 1932494480.
  5. 1 2 3 David Gordon Wilson, Jim Papadopoulos. Bicycling Science. — The MIT Press, 2004. — С. 263–390. — ISBN 0-262-73154-1.
  6. 1 2 Vittore Cossalter. Motorcycle Dynamics. — Lulu.com, 2006. — С. 241–342. — ISBN 978-1-4303-0861-4.
  7. Simos Evangelou, David J.N. Limebeer, Robin S. Sharp, Malcolm C. Smith. Control of Motorcycle Steering Instabilities (англ.) // IEEE Control Systems Magazine : журнал. — 2006. — October.
  8. Zhuravlev V.Ph., Klimov D.M. Theory of the shimmy phenomenon (англ.) // Mechanics of Solids : журнал. — 2010. — June (vol. 4, no. 3). — P. 324—330. — ISSN 0025-6544. — doi:10.3103/S0025654410030039.
  9. 1 2 3 Dan Empfield. Speed Wobble (англ.). Slowtwitch.com (24 апреля 2015). Дата обращения: 2 января 2018.
  10. Kettler, Bill. Crash kills cyclist, Mail Tribune (15 сентября 2004). Дата обращения: 10 июля 2016.
  11. Manfred Plöchl, Johannes Edelmann, Bernhard Angrosch, Christoph Ott. On the wobble mode of a bicycle (англ.) // Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility : журнал. — 2011. — 7 July (vol. 50, no. 3). — P. 415–429. — ISSN 0042-3114. — doi:10.1080/00423114.2011.594164.
  12. Mauro, Salvador; Fabris, Davide (May 27–28, 2004). Study of stability of a two wheeled vehicle through experiments on the road and in laboratory (PDF). Modena, Italy. Дата обращения 2008-08-31. Архивная копия от 28 сентября 2011 на Wayback Machine

Ссылки[править | править код]