Колебание скорости

Скоростное колебание (также известное как шимми , танк-хлопун , ^[1] или смертельное колебание ) — это быстрое раскачивание колес транспортного средства из стороны в сторону, которое происходит на высоких скоростях и может привести к потере управления. Оно проявляется в виде быстрых (4–10 Гц) колебаний преимущественно управляемых колес и вызвано сочетанием факторов, включая первоначальные возмущения и недостаточное демпфирование , которые могут создать резонансный эффект. Первоначально остальная часть автомобиля остается в основном незатронутой, пока не перейдет в рыскания колебание автомобиля с возрастающей амплитудой , приводящее к потере управления.

Транспортные средства, которые могут испытывать это колебание, включают мотоциклы и велосипеды , скейтборды и, теоретически, любое транспортное средство с одной точкой поворота рулевого управления и достаточной степенью свободы управляемого колеса, включая ту, которая существует на некоторых легких самолетах с трехколесным шасси , где нестабильность может произойти на скорости менее 80 км/ч (50 миль в час); это не включает большинство автомобилей . Первоначальная нестабильность возникает в основном на высокой скорости и аналогична той, которую испытывают колеса тележки для покупок и шасси самолета. ^[2]^[3]

Теория

Устойчивые колебания имеют два необходимых компонента: недостаточно демпфируемую систему второго или более высокого порядка и механизм положительной обратной связи . Примером системы второго порядка с недостаточным демпфированием является система пружина-масса , в которой масса может покачиваться вверх и вниз (колебаться) при подвешивании на пружине.

Если шимми невозможно спроектировать вне системы, устройство, известное как рулевой демпфер можно использовать , которое по сути представляет собой режекторный фильтр , предназначенный для гашения шимми на его известной собственной частоте. ^[4]

Шимми обычно связано с деформацией (резиновых) шин. Однако это можно наблюдать и в недеформируемых (например, стальных) колесах. Это явление можно объяснить введением многокомпонентных сил сухого трения: ^[5] помимо обычных сил, рассматриваемых в литературе.

Другое объяснение состоит в том, что колебание скорости — это бифуркация Хопфа , математическое явление, при котором стабильная фиксированная точка динамической системы теряет устойчивость при изменении параметра, что приводит к возникновению предельного цикла (путь, по которому система следует неоднократно, возвращаясь к самой себе). по предсказуемому шаблону, которому со временем склонны подражать другие близлежащие модели поведения). В случае колебания скорости система переходит из одного состояния (стабильная езда) во второе состояние (колебания постоянной амплитуды), когда один параметр (скорость движения вперед или воздушная скорость) проходит через критическую точку. ^[6]^{: 1}^[7]^{: 1}

В двухколесных транспортных средствах

Колебания или шимми начинаются, когда какая-то незначительная неровность ускоряет колесо в одну сторону. Неровностью может быть колесо, которое имеет некруглую форму , неправильную форму или несбалансированность . ^[6] Когда колесо вращается, оно оказывает циклическую системы (автомобиля и прикрепленных к нему аксессуаров) нагрузку на раму транспортного средства, которая, если ее согласовать с резонансной частотой , может вызвать колебание скорости. ^[6] При вращении колеса восстанавливающая сила прикладывается синхронно с развитием неровности, и колесо поворачивается в другую сторону, где процесс повторяется. При недостаточном демпфировании рулевого управления колебания будут увеличиваться вплоть до выхода системы из строя. Частоту колебаний можно изменить, изменив скорость движения, сделав велосипед жестче или легче или увеличив жесткость рулевого управления, основным компонентом которого является гонщик. ^[2] Хотя раскачивание или тряску можно легко устранить, отрегулировав скорость, положение или сцепление руля, оно может оказаться фатальным, если его не контролировать. ^[8]

При прочих равных условиях колебание скорости на горном велосипеде, как правило, менее вероятно, чем на шоссейном, поскольку рама горного велосипеда обычно имеет большее демпфирование от системы подвески , а выступы шин также создают некоторое демпфирование между транспортным средством и дорогой. интерфейс. ^[6]^{: 1}

Поскольку частота шимми не зависит от скорости велосипеда, гироскопические эффекты «явно не существенны для этого явления». ^[2] Было обнаружено, что в первую пятерку факторов, влияющих на раскачивание, входят поперечная жесткость передней шины, рулевой демпфер, высота центра массы велосипеда, расстояние центра массы велосипеда от заднего колеса и жесткость передней шины на поворотах. ^[3]^[9]

В академической статье, в которой исследовалось колебание посредством физических экспериментов и компьютерного моделирования, делается вывод: «Было показано влияние на режим качания характеристик передних шин, инерции передней рамы и жесткости шасси. В частности, это показывает, что [путем] увеличения давления в передних шинах жесткость шасси а также инерция передней рамы относительно оси рулевого управления и уменьшение жесткости переднего колеса при боковом скольжении, демпфирование в режиме качания улучшается, что повышает устойчивость автомобиля». ^[10]

В одноколесных мобильных устройствах

Колебания скорости возникают на электрических одноколесных велосипедах ( EUC ) и одноколесных скейтбордах (таких как Onewheel ). «Чтобы исправить раскачивание Onewheel, необходимо переместить обе ноги, медленно перемещая их в положение, которое правильно обеспечивает центр тяжести. Контроллер Onewheel предназначен для балансировки доски только спереди назад, без контроля над движением из стороны в сторону. -боковое движение». ^[11]

См. также

Ссылки

^ Хаф, Дэвид Л. (2000). «Глоссарий». Опытное вождение на мотоцикле: полное руководство по хорошей езде (2-е изд.). США: BowTie Press. п. 253. ИСБН 1-889540-53-6 . удар по баку: колебание скорости настолько сильное, что руль попеременно ударяется о стенки топливного бака.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). Массачусетский технологический институт Пресс. стр. 263–390 . ISBN 0-262-73154-1 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Коссалтер, Витторе (2006). Динамика мотоцикла (второе изд.). Лулу.com. стр. 241–342. ISBN 978-1-4303-0861-4 .
^ Симос Евангелу, Дэвид Дж. Н. Лаймбир, Робин С. Шарп и Малкольм К. Смит (октябрь 2006 г.). «Контроль нестабильности рулевого управления мотоцикла». Журнал IEEE Control Systems . CiteSeerX 10.1.1.227.9657 . Для машин с жесткой передней рамой требуется рулевой демпфер для стабилизации режима качания на высоких скоростях, тогда как более старым и более гибким машинам может потребоваться рулевой демпфер на промежуточных скоростях. {{cite magazine}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Журавлев, В.Ф.; Климов, Д.М. (2010). «Теория явления шимми». Механика твердого тела . 4 (3): 324–330. Бибкод : 2010MeSol..45..324Z . дои : 10.3103/S0025654410030039 . S2CID 122904947 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Эмпфилд, Дэн (24 апреля 2015 г.). «Скоростное колебание» . сайт «slowtwitch.com» . Архивировано из оригинала 7 июня 2015 г. Проверено 23 августа 2019 г.
^ Зинн, Леннард (19 ноября 2013 г.). «Технические вопросы и ответы: Бифуркация и высокоскоростная шимми» . ВелоНьюс . Архивировано из оригинала 24 августа 2019 г. Проверено 23 августа 2019 г.
^ Кеттлер, Билл (15 сентября 2004 г.). «Авария убила велосипедиста» . Почтовая трибуна . Проверено 10 июля 2016 г.
^ Манфред Плёхль; Йоханнес Эдельманн; Бернхард Ангрош; Кристоф Отт (7 июля 2011 г.). «О режиме качания велосипеда». Динамика систем автомобиля . 50 (3). Тейлор и Фрэнсис: 415–429. Бибкод : 2012ВСД....50..415П . дои : 10.1080/00423114.2011.594164 . ISSN 0042-3114 . S2CID 110507657 .
^ Мауро, Сальвадор; Фабрис, Давиде (27–28 мая 2004 г.). Исследование устойчивости двухколесного транспортного средства посредством экспериментов на дороге и в лаборатории (PDF) . Модена, Италия . Проверено 31 августа 2008 г.
^ «Одно колесо раскачивается и кажется нестабильным [Как исправить раскачивание]» . Следовое колесо . 7 октября 2022 г.

Внешние ссылки

[1] Хаф, Дэвид Л. (2000). «Глоссарий». Опытное вождение на мотоцикле: полное руководство по хорошей езде (2-е изд.). США: BowTie Press. п. 253. ИСБН 1-889540-53-6 . удар по баку: колебание скорости настолько сильное, что руль попеременно ударяется о стенки топливного бака.

[Wilson-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Уилсон, Дэвид Гордон; Джим Пападопулос (2004). Велосипедная наука (Третье изд.). Массачусетский технологический институт Пресс. стр. 263–390 . ISBN 0-262-73154-1 .

[Cossalter-3] Перейти обратно: ^а ^б Коссалтер, Витторе (2006). Динамика мотоцикла (второе изд.). Лулу.com. стр. 241–342. ISBN 978-1-4303-0861-4 .

[4] Симос Евангелу, Дэвид Дж. Н. Лаймбир, Робин С. Шарп и Малкольм К. Смит (октябрь 2006 г.). «Контроль нестабильности рулевого управления мотоцикла». Журнал IEEE Control Systems . CiteSeerX 10.1.1.227.9657 . Для машин с жесткой передней рамой требуется рулевой демпфер для стабилизации режима качания на высоких скоростях, тогда как более старым и более гибким машинам может потребоваться рулевой демпфер на промежуточных скоростях. {{cite magazine}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[5] Журавлев, В.Ф.; Климов, Д.М. (2010). «Теория явления шимми». Механика твердого тела . 4 (3): 324–330. Бибкод : 2010MeSol..45..324Z . дои : 10.3103/S0025654410030039 . S2CID 122904947 .

[ST-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Эмпфилд, Дэн (24 апреля 2015 г.). «Скоростное колебание» . сайт «slowtwitch.com» . Архивировано из оригинала 7 июня 2015 г. Проверено 23 августа 2019 г.

[VN_LZ-7] Зинн, Леннард (19 ноября 2013 г.). «Технические вопросы и ответы: Бифуркация и высокоскоростная шимми» . ВелоНьюс . Архивировано из оригинала 24 августа 2019 г. Проверено 23 августа 2019 г.

[8] Кеттлер, Билл (15 сентября 2004 г.). «Авария убила велосипедиста» . Почтовая трибуна . Проверено 10 июля 2016 г.

[9] Манфред Плёхль; Йоханнес Эдельманн; Бернхард Ангрош; Кристоф Отт (7 июля 2011 г.). «О режиме качания велосипеда». Динамика систем автомобиля . 50 (3). Тейлор и Фрэнсис: 415–429. Бибкод : 2012ВСД....50..415П . дои : 10.1080/00423114.2011.594164 . ISSN 0042-3114 . S2CID 110507657 .

[10] Мауро, Сальвадор; Фабрис, Давиде (27–28 мая 2004 г.). Исследование устойчивости двухколесного транспортного средства посредством экспериментов на дороге и в лаборатории (PDF) . Модена, Италия . Проверено 31 августа 2008 г.

[11] «Одно колесо раскачивается и кажется нестабильным [Как исправить раскачивание]» . Следовое колесо . 7 октября 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]