Резонансы вертикального колебания колеса

Следующими, вторыми по величине массами, после подрессоренной массы транспортного средства, способными на отдельные резонансы в качестве твёрдых тел, являются оси и колёса (которые составляют неподрессоренную массу). Каждое подрессоренное колесо имеет режим вертикального отскока (вертикальных колебаний), который возбуждается воздействиями дороги и неоднородностями колеса, добавляясь к колебаниям, присутствующим на транспортном средстве. Влияние вертикального резонанса колеса на вибрации подрессоренной массы видно на основной реакции модели четверти автомобиля, данной ранее на Рисунке 5.16. Коэффициенты усиления отклика для воздействий от дороги или от колеса, как правило, затухали бы быстро и непрерывно в отсутствии режима резонанса колеса. Тем не менее, в результате движения колеса в обоих случаях реакция усиливается на частотах выше точки резонанса кузова, с наибольшим значением на резонансной частоте колеса.

Резонансная частота определяется массой колеса/оси, подвешенной на рессорах подвески, действуя совместно с таковой шин. Характерно, что неподрессоренная масса будет соответствовать весу, пропорциональному коэффициенту общего веса моста (gross axle weight rating, GAWR), который в свою очередь является показателем нагрузки, обычно несомой осью. Для неведущих осей этот вес, Wa, как правило, около 10 процентов от GAWR, в то время как для ведущих осей он будет около 15 процентов GAWR. Поскольку обычно размер шин и рессор подвески пропорционален GAWR, а резонансная частота зависит от отношения массы к общей жёсткости пружин шины и рессор подвески, резонансные частоты большинства колёс, по крайней мере теоретически, падали бы в ограниченном диапазоне.

Частоты вертикальных колебаний отскока колеса гораздо выше, чем резонанс подрессоренной массы, поэтому подрессоренная масса остаётся неподвижной во время подпрыгивания колеса. Таким образом, и пружины шины и рессоры подвески действуют параллельно, чтобы сопротивляться движениям колеса при отскоке, а общая жёсткость рессор, управляющая массой на оси, равна сумме этих двух. Резонансная частота может быть рассчитана следующим образом:

(5-20)

где:

fa = Резонансная частота подпрыгивания колеса (Гц)

Kt = Коэффициент жёсткости шины

Ks = Коэффициент жёсткости подвески

Wa = Вес моста

Для легковых автомобилей типичный вес неподрессоренные массы на колесе порядка 100 фунтов, при жёсткости шины в 1000 фунтов/дюйм и жёсткости подвески в 100 фунтов/дюйм. При этих обычных значениях рассчитанная резонансная частота будет равна примерно 10 Гц. Трение в подвеске увеличит эффективную жёсткость рессоры для малых движений во время езды, что в свою очередь увеличит резонансную частоту до 12-15 Гц.

Величина неподрессоренной массы, состоящая из колёс, осей/валов, компонентов тормозов и подвески, влияет на передачу дорожных воздействий подрессоренной массе. Для изучения передаваемости воздействий от дороги на кузов при изменениях в неподрессоренной массе может быть использована модель четверти автомобиля. Рисунок 5.26 сравнивает коэффициенты усиления откликов, так как неподрессоренная масса изменяется от типичного значения (равной 10% от величины подрессоренной массы) до значения, которое превышает эту величину в два раза (тяжёлая), и до значения только половины величины (лёгкая). Поведение резонанса кузова вблизи 1 Гц не зависит от изменений неподрессоренной массы, но выше этой частоты изменения очевидны. Тяжёлая масса тянет резонансную частоту подпрыгивания колеса вниз примерно до 7 Гц, что значительно увеличивает передаваемость дорожных воздействий в этом диапазоне. Так как они являются более нежелательными вибрациями и их труднее изолировать с помощью других средств, это приводит к ухудшению ходовых качеств. При более лёгкой неподрессоренной массе резонансная частота подпрыгивания колеса перемещается выше, обеспечивая лучшую изоляцию в среднечастотном диапазоне, хотя есть некоторые ухудшения выше резонанса. Поскольку в других местах шасси изолировать высокочастотных колебаний легче,  меньшая неподрессоренная масса обычно обеспечивает лучшие ходовые качества.

Рис. 5.26. Влияние неподрессоренной массы на изоляционные свойства подвески.