Эффект шимми

У этого термина существуют и другие значения, см. Шимми.

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 лёгкие 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 колёс магазинных тележек или поведению самолётного шасси во время приземления^[5][6].

Физика явления

Основная опора шасси предсерийного самолёта Як-42 с гидравлическим гасителем колебаний «шимми»

Пример системы «пружина-груз»

При установившемся режиме колебаний наибольшую роль играют два механизма: низкий коэффициент демпфирования в системе второго (или выше) порядка и 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 демпфера. 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 двухколёсных транспортных средствах

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 передаёт 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 жёсткости транспортного средства, а также увеличением жёсткости 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: жёсткость боковых поверхностей шины переднего колеса, жёсткость амортизатора рулевого колеса, высота центра масс, расстояние от центра масс до заднего колеса, угловое сопротивление шины переднего колеса^[6][11].

Согласно отчёту об экспериментальных исследованиях и компьютерном моделировании эффекта шимми, было показано влияние на режим колебаний характеристик шины переднего колеса, инерции передней рамы велосипеда и жёсткости шасси. Точнее, было показано, что при увеличении давления в шине переднего колеса, увеличении жёсткости 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

Теория возникновения шимми на автомобилях разработана в СССР академиком Е. А. Чудаковым в середине 1930-х годов. Борьба с шимми на автомобилях сводится к закладке в конструкцию передней подвески параметров, обеспечивающих самостабилизацию колес — статическую (развал, кастор) и динамическую (схождение и тщательная балансировка самих колес, обязательное демпфирование подвесок). Первым советским серийным автомобилем с подвеской, рассчитанной на противостояние возникновению шимми, был 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».

См. также

• Демпфер шимми
• Автоколебания