transporto priemoniŲ dinamikadspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-s_bogdevicius...dinamika –...

206
Marijonas BOGDEVIčIUS TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKA Vilnius „Technika“ 2012 Studijų programų atnaujinimas pagal ES reikalavimus, gerinant studijų kokybę ir taikant inovatyvius studijų metodus Projekto kodas VP1-2.2-ŠMM 07-K-01-023

Upload: others

Post on 16-Jan-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

Marijonas Bogdevičius

TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKA

vilnius „Technika“ 2012

Studijų programų atnaujinimas pagal ES reikalavimus, gerinant

studijų kokybę ir taikant inovatyvius studijų metodus

Projekto kodas VP1-2.2-ŠMM 07-K-01-023

Page 2: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

Marijonas Bogdevičius

TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKA

VilniAUS GEDiMinO TECHniKOS UniVERSiTETAS

vilnius „Technika“ 2012

Mokomoji knyga

Page 3: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

M. Bogdevičius. Transporto priemonių dinamika: mokomoji knyga. Vilnius: Technika, 2012, 205 p. [4,40 aut. l. 2012 09 26]

Knygoje pateikta transporto priemonių klasifikavimas, pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai bei transporto priemonių istorijos fragmentai, trumpai supažindi­nama su Lietuvos ir pasaulio automobilių inžinierių organizacijomis bei studen­tų galimybėmis įsijungti į šių organizacijų veiklas.

Pagrindinis dėmesys skiriamas transporto priemonių judėjimo tyrimų meto­dams, dinaminių modelių generavimui bei judėjimo lygčių išvedimo metodams, kurių žinojimas yra būtinas, norint įgyti išsamias žinias apie transporto priemo­nių judėjimo dėsningumus. Nemažas dėmesys skiriamas sausumos transporto kelių charakteristikoms, jų nustatymo metodams, komfortabilumo problemoms. Išsamiai išdėstomi šiuolaikiniai automobilio rato ir kelio sąveikos tyrimo meto­dai, pateikti šios sąveikos tyrimų rezultatai. Supažindinama su geležinkelio aši­račio sąveikos su bėgiu tyrimo metodai, pateikti šios sąveikos tyrimų rezultatai. Knyga skirta transporto inžinerijos specialistams, bakalaurantams, magistran­tams bei doktorantams. Ji gali būti naudinga ir kitų sričių specialistams.

Leidinį rekomendavo VGTU Transporto inžinerijos fakulteto studijų komitetas

Recenzavo: Doc. dr. Jolanta Janutėnienė, Klaipėdos universitetas Doc. Dr. Olegas Prentkovskis, Vilniaus Gedimino technikos

universitetas

Leidinys parengtas ir išleistas už Europos struktūrinių fondų lėšas, jomis finan­suojant VGTU Transporto inžinerijos, Biomechanikos ir Aviacinės mechanikos inžinerijos projektą „Studijų programų atnaujinimas pagal ES reikalavimus, gerinant studijų kokybę ir taikant inovatyvius studijų metodus“ pagal Lietuvos 2007–2013 m. Žmogiškųjų išteklių veiksmų programos 2 prioriteto „Mokymasis visą gyvenimą“ VP1-2.2-ŠMM-07-K priemonę „Studijų kokybės gerinimas, tarptautiškumo didinimas“. Projekto kodas Nr. VP1-2.2-ŠMM 07-K-01-023, fi­nansavimo ir administravimo sutartis Nr. VP1-2.2-ŠMM-07-K-01-023.

VGTU leidyklos TECHNIKA 1393-S mokomosios metodinės literatūros knygahttp://leidykla.vgtu.lt

Redaktorė Stasė SimutytėMaketuotoja Daiva Šepetauskaitė

eISBN 978-609-457-296-8doi:10.3846/1393-S

© Marijonas Bogdevičius, 2012© Vilniaus Gedimino technikos universitetas, 2012

Page 4: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

3

Turinys

1. Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai. Istorijos fragmentai ........................ 51.1. Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai ................................................ 51.2. Transporto priemonių klasifikavimas ............................................. 81.3. Transporto priemonių istorijos fragmentai ................................... 101.4. Lietuvos ir pasaulio automobilių inžinierių organizacijos ........... 16

2. Transporto priemonių judėjimo tyrimo metodai .................................... 182.1. Koordinačių sistemos ................................................................... 182.2. Funkcijos skleidimas Furjė ir Teiloro eilute ................................. 202.3. Kūno pasukimas erdvėje ............................................................... 242.4. Matricos tikrinės reikšmės ir vektoriai ......................................... 332.5. Harmoninė analizė ........................................................................ 522.6. Atsitiktiniai stacionarūs priverstiniai virpesiai ............................. 57

3. Transporto priemonių dinaminių modelių elementai ir judėjimo lygtys 683.1. Transporto priemonės dinaminis modelis ..................................... 683.2. Kūno ir kūnų sistemos masių inercijos momentai ........................ 703.3. Jėgų klasifikacija .......................................................................... 843.4. Tamprieji elementai, standumo jėgos ir jėgų momentai ............... 883.5. Tampriųjų elementų jungimas ...................................................... 913.6. Slopinimo elementai, slopinimo jėgos ir momentai ..................... 923.7. Slopinimo elementų jungimas ...................................................... 943.8. Kūno judėjimo lygčių užrašymo būdai ......................................... 96

3.8.1. D’Alambero ir Lagranžo lygtys .......................................... 963.8.2. Niutono ir Oilerio lygčių sistema ........................................ 993.8.3. Hamiltono principas .......................................................... 1013.8.4. Dviejų kūnų sujungimo tampriuoju ir slopinimo

elementais, standumo ir slopinimo matricos ........................ 1034. Sausumos transporto kelių charakteristikos. Komfortabilumas ........... 107

4.1. Automobilių kelių nelygumai, jų charakteriskos ........................ 1074.2. Automobilio kelių nelygumų generavimo būdai ........................ 1194.3. Geležinkelio nelygumai, jų charakteristikos ir nelygumų

generavimo būdai ........................................................................ 1324.4. Virpesių poveikis žmogaus organizmui ...................................... 137

Literatūra .................................................................................................. 152

Page 5: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

4

5. Automobilio rato sąveika su keliu ........................................................ 1555.1. Padanga ir jos sandara ................................................................ 1555.2. Padangos kontakte veikiančios jėgos ir momentai ..................... 1595.3. Padangos modeliai ...................................................................... 170

5.3.1. Lugre padangos modelis ................................................... 1705.3.2. Paceikos modelis ............................................................... 1755.3.3. HSRI modelis .................................................................... 1805.3.4. Dugofo modelis ................................................................ 1835.3.5. Elastingos padangos modelis ............................................ 1865.3.6. Kiti padangos modeliai ..................................................... 192

Penkto skyriaus literatūra ......................................................................... 1936. Geležinkelio aširačio sąveikos su bėgiu teorijos ................................. 194

6.1. Herco ir Kalkerio teorija ............................................................. 1946.2. Euristinis netiesinis modelis ...................................................... 2006.3. Miulerio modelis ....................................................................... 2016.4. Kitos aširačio sąveikos su bėgiu teorijos .................................... 202

Šešto skyriaus literatūra ........................................................................... 205

Page 6: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

5

1. Pagrindinės sąvokos ir aPiBrėžiMai. isTorijos fragMenTai

1.1. Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai

analizė - analizė (kredito ir finansų įstaigos) – tyrimas, kruopš­tus aplinkybių bei priežastinių ryšių nustatymas.

analizė (gr.ανάλυση, iš sen. gr. veiksmaž. άναλύειν „išskaidyti“) –vieningas sistematinis tyrimas, kurio metu objektas arba subjektas skai­domas į atskiras dalis, o šios yra tiriamos, tvarkomos, rūšiuojamos.

dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju­dėjimo greičio kitimo priežastys. Pagrindiniai klasikinės dinamikos principai buvo suformuluoti tik 1687 m., kai pasirodė garsus Niutono dėsnių veikalas „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (Matematiniai gamtos filosofijos pagrindai) [Vikipedija].

dinaminė sistema – sistema, sudaryta iš materialiųjų kūnų, kurie gali keisti savo padėtį ervėje ir laike.

ratas – įrenginys, skirtas sukamąjį judesį pakeisti į slenkamąjį judėsį.

Transporto priemonė – techninis įtaisas arba gyvūnas, skirtas kroviniams (keleiviams, medžiagoms, įrenginiams, įvairioms pre­kėms ir kt.) vežti [Vikipedija].

dinaminis modelis – schema, kurioje nurodomos kūnų inercinės charakteristikos (masės, masių inercijos momentai), veikiančios išori­nės jėgos, pagrindiniai matmenys, tamprūs ir pasipriešinimo elemen­tai ir kiti dyždžiai, kurie padeda suprasti dinaminės sistemos judėjimo priežastis ir padeda išvesti judėjimo lygtis.

Matematinis modelis – matematinių objektų (lygtys, integralai, matricos, vektoriai ir kt.) rinkinys, kuriuo galima matematiškai apra­šyti tyrimo objektą.

Transporto priemonės stabilumas – transporto priemonės gebė­jimas sugrįžti į pradinę judėjimo trajektoriją, atlikus staigų nukrypimą nuo judėjimo trajektorijos.

Page 7: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

6

ratų suvedimas – atstumas tarp ratų užpakalinių briaunų, mi­nus atstumas tarp priekinių briaunų.

ratų išvirtimas – kampas tarp vertikalės ir automobilio rato su­kimosi plokštumos, kuris laikomas neigiamu, jei ratai viršutine puse nukreipti į vidų, arba teigiamu, jei – viršutine puse į išorę.

kasteris – kampas tarp vertikalės ir rato sukimosi išilginėje auto­mobilio plokštumoje ašies projekcijos.

Transporto priemonės (TP) dinamika nagrinėja TP pagreitėjimą, stabdymą, svyravimus veikiant išoriniams ir vidiniams veiksniams (jėgoms ir jėgų momentams), keleivių komfortabilumo sąlygas, TP atskirų mazgų dinaminius ir hidrodinaminius procesus, važiuoklės sąveiką su kelio paviršiumi, TP stabilumą. Svarbiausi TP dinamikos tyrimo atvejai pateikti 1.1 lentelėje.

1.1 lentelė. Transporto priemonės dinamikos atskiri atvejai

TP dinamikos

tipasTP judėjimo ypatumas dinaminis

procesas

1. Išilginė dinamika

Važiavimas ir stabdymas

2.

Šoninė dinamika (vingiavi­

mas)

Vairavimas posūkyje,

nesimetriš­kas važia­vimas, ne­simetriškas stabdymas

Page 8: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

7

3. Vertikali dinamika

Kelio pa­viršiaus

nelygumai, padangos, pakabos dinamika

4. Vertikalus svyravimas

Važiavimas per nelygų kelio pavir­

šių

5. Išilginis svyravimas

Važiavimas, stabdymas, pasvirimo gradientas

6.Ratų judė­jimo dina­

mika

Važiavimas, stabdymas, sukinėjimas

1.1 lentelės pabaiga

Page 9: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

8

1.2. Transporto priemonių klasifikavimas

Transporto priemonė – techninis įtaisas arba gyvūnas, skirtas kroviniams (keleiviams, medžiagoms, įrenginiams, įvairoms prekėms ir kt.) vežti [Vikipedija].

Transporto priemonės skirstomos įvairiai – pagal aplinką, kurioje keliauja, pagal variklio buvimą ir jo tipą, pagal kitus konstrukcinius ypatumus.

sausumos transporto priemonės:

naudojančios aplinkos energiją– Burinės rogės, buriniai vežimėliai naudojančios gyvūnus– Nešuliniai gyvuliai– Jojamieji gyvūnai – Gyvulių tempiami vežimai ir rogės– Arklinis tramvajus naudojančios žmogaus energijąPasispiriamos ir kitos, nenaudojančios pavarų ir pan. mechanizmų– Paspirtukai – Riedlentės– RiedučiaiNaudojančios pavaras ir pan. mechanines priemones– Dviračiai (dviračiai, triračiai) – Velomobiliai– Rankinės drezinosnaudojančios varikliusratinės bėgiųBūna su garo mašinomis, vidaus degimo varikliais, elektros va­

rikliais.– Lokomotyvai (garvežys, motorvežis, elektrovežis) – Drezinos – Tramvajus

Page 10: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

9

ratinės kelių ir bekelės– Su vidaus degimo varikliais ir pan. varikliais (turbinomis) – Motoriniai dviračiai ir mopedai – Motociklai – Automobiliai – lengvieji automobiliai – sunkvežimiai – autobusai ir mikroautobusai – vilkikai – Ratiniai traktoriai– Su elektros varikliais – Troleibusai – Elektromobiliaivikšrinės– Sniegaeigiai– Vikšriniai traktoriai – Vikšriniai visureigiai – Tankaikitokios– Aerorogės– Liftai ir keltuvai– Konvejeriai– Vamzdynai (vandentiekis, naftotiekiai, dujotiekiai ir kt.)

upių ir jūrų transporto priemonės:

naudojančios aplinkos energiją– Plaustai ir sieliai – Banglentės– Burlentės, burinės valtys ir buriniai laivai naudojančios žmogaus energiją– Irklinės valtys ir irkliniai laivai naudojančios variklius– Garlaiviai ir kitokie grimzliniai laivai– Povandeniniai laivai, batiskafai

Page 11: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

10

– Laivai su povandeniniais sparnais – Laivai su oro pagalve – Ekranoplanai

oro transporto priemonės:

naudojančios aplinkos energiją– Oro balionai– Parašiutai– Skraidyklės– Sklandytuvainaudojančios variklius– Dirižabliai– Sraigtasparniai– Autožyrai– Lėktuvai– Raketoskosminio transporto priemonės– Kosminiai laivai – Dirbtiniai palydovai – Kosminis liftas

1.3. Transporto priemonių istorijos fragmentai

Pagrindiniai klasikinės dinamikos principai buvo suformuluoti tik 1687 m., kai pasirodė garsus Niutono dėsnių veikalas „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (Matematiniai gamtos filosofijos pagrindai) [Vikipedija].

Lietuvos „Niutonas“, taip galima pavadinti kazimierą simonavičių [žr. Vikipedija].

kazimieras simonavičius (kartais kazimieras semenavičius, lenkų kalba Kazimierz Siemienowicz; apie 1600 m. balandžio 18 d. – apie 1651) – artilerijos inžinierius, raketų išradėjas, Lietuvos Didžiosios Kunigaikštystės bajoras ir karininkas.

1650 m. Amsterdame kazimieras simonavičius išleido veikalą „didysis artilerijos menas“ (lot. Artis Magnae Artilleriae Pars prima),

Page 12: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

11

kuris greitai išgarsėjo visoje Europoje. Tai pirmoji pasaulyje knyga, pateikusi daugiapakopės raketos ir raketinės artilerijos sukūrimo teoriją bei brėžinius.

Veikalą sudarė 5 skyriai (iš viso 305 puslapiai teksto ir 206 ilius­tracijos, brėžiniai):

– 1 skyrius skirtas patrankų kalibrui, jų konstrukcijai ir pritaikymui – 2 skyriuje nagrinėjama parako ir kitų artilerijoje naudojamų

medžiagų technologija – 3 skyrius „Apie raketas“ — įdomiausias ir vertingiausias,

aprašantis svarbiausius atradimus – raketos aukščio ir jos reak tyvinės tūtos pločio santykį, daugiapakopę raketą, raketų stabilizavimą sparneliais, raketų bateriją (lygiagrečiojo jungi­mo daugiapakopę raketą). Aprašoma daugiau kaip 20 paraku užtaisomų raketų pavyzdžių, jų gamyba ir savybės. Svarbu yra tai, kad K.Simonavičius aprašymuose viską grindė mate­matiniais skaičiavimais ir fizikos dėsniais

– 4 ir 5 skyriai, kuriuose apibendrinti karo ir pramogai skirtos pirotechnikos laimėjimai.

1.1 pav. Lietuvos banko išleista proginė 50 litų sidabrinė moneta,

skirta paminėti K. Simonavičiaus knygos „Didysis artilerijos menas“ 350-ąsias metines, ir daugiapakopė raketa

K. Simonavičiaus aprašyta daugiapakopė raketa

Page 13: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

12

Vienas didžiausių žmonių išradimų yra rato išradimas.

Page 14: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

13

1.2 pav. Ratų vystymosi raida [Holzspeichenräder (Benz-Viktoria-Wagen; 1893)]

Page 15: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

14

1828 m. Hancock sukūrė transporto priemonę (naudojo garo ener­giją), kurią pavadino „Diligence“ (variklio galia 20 AG) (1.3 pav.). Paaiškinimas: AG arklio galia (1 AG lygi 745,7 W). Dažnai arklio ga­lioms nusakyti vartojamas neteisingas terminas arklio jėga.

1.3 pav. Transporto priemonė „Diligence“ (Newsletter to the Members of EAEC Automotive Engineer‘s Societies, issue 4, May, 2009)

1833 m. Hancock sukūrė pirmą autobusą „Enterprise“ (garo va­riklis), kuris pervežė apie 4000 keleivių, vidutinis greitis 20 km/val. (1.4 pav.).

1.4 pav. Transporto priemonė „Enterprise“ (Newsletter to the Members of EAEC Automotive Engineer‘s Societies, issue 4, May, 2009)

Page 16: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

15

1836 m. Hancock sukūrė patobulintą autobusą (garo variklis), kurio talpa 22 keleiviai, maksimalus greitis 33 km/val. Autobusas „Automation“ nuvažiavo 6758 km, pervežė apie 4000 keleivių, vidu­tinis greitis 20 km/val. (1.5 pav.).

1.5 pav. Patobulintas autobusas (Newsletter to the Members of EAEC Automotive Engineer‘s Societies, issue 4, Mat, 2009)

Hancocko nuosavas automobilis parodytas (1.6 pav.).

1.6 pav. Hancocko nuosavas automobilis „Phaeton“ (Newsletter to the Members of EAEC Automotive Engineer‘s Societies, issue 4, May, 2009)

Page 17: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

16

1.7 pav. Traktorius ir triračiai automobiliai

1.4. Lietuvos ir pasaulio automobilių inžinierių organizacijos

Šiandien Lietuvos automobilių tyrėjai susijungė į automobilių in­žinierių sąjungą (LAIS, www.lais.lt). LAIS yra Pasaulinės automobi­lių inžinierių sąjungos narė („fisiTa“ international federation of automotive engineering societies, www.fisita.com).

FISITA remia studentų veiklą. Kasmet vyksta „Formulės-1“ stu­dentų regioninės ir pasaulinės lenktynės. 1.8 pav. parodyti Japonijos „Formulė-1“ studentiškų lenktynių fragmentai.

Page 18: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

17

1.8 pav. Japonijos „Formulės-1“ studentiškų lenktynių fragmentai

Page 19: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

18

2. TransPorTo PrieMonių judėjiMo TyriMo MeTodai

2.1. koordinačių sistemos

Transporto priemonių dinamikoje, nagrinėjant kūnų sistemos ju­dėjimą, įvedama bendroji koordinačių sistema OXYZ , kurios atžvilgiu stebimas kiekvieno kūno masių centro koordinačių ir kūno pasuki­mo kampų kitimas. Tarptautinė standartų organizacija (ISO) standartu ISO 8855 nustato koordinačių ašių padėtį, kaip parodyta 2.1 pav. Ašis Xk nukreipiama į priekį išilgai transporto priemonės, žiūrint iš Xk viršūnės, Yk ašis nukreipta į dešinę pusę ir yra statmena Xk ašiai; Zk ašis nukreipta į viršų ir yra statmena OX Yk k plokštumai. Teigiami posūkio kampai apie Xk ,Yk ir Zk standartuose numatyti pagal deši­niojo sraigto taisyklę. Pasukimo kampas apie Xk ašį – virtimo kampas ϕ ; pasukimo kampas apie Yk – išilginio supimo kampas θ, o pasukimo kampas apie Zk – nukrypimo nuo kurso kampas ψ (2.2 pav). Amerikos Transporto inžinierių organizacija (SAE) standartu SAE J670 nustato kitokią koordinačių sistemą: ašis Xk nukreipiama į priekį išilgai trans­porto priemonės; žiūrint iš Xk viršūnės, Yk ašis nukreipta į kairiąją pusę ir yra statmena Xk ašiai; Zk ašis nukreipta žemyn ir yra statme­na OX Yk k plokštumai.

Page 20: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

19

2.1 pav. Kūnų koordinačių sistemos

2.2 pav. Kūno pasukimo kampai:OX Y Za a a – automobilio koordinačių sistema

Rato geometriniame centre įvedama rato koordinačių sistema X Y ZR R R , o rato ir kelio paviršiaus kontakto taške P įvedama koor­dinačių sistema X Y ZP P P . Kotakto taške P rato greitis yra lygus VP, kampas tarp ašies XP ir greičio VP yra lygus α (skersridės kampas). Rato plokštuma pasvirusi kampu εR (pasukimo kampas apie XP ašį).

Page 21: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

20

Rato ir kelio kontakto taške veikianti jėga suskaidoma į dedamąsias: FXR, FYR . Apie ašis XP irYP veikia sukimo momentai MXP ir MYP (2.3 pav.).

2.3 pav. Pasvirusio rato koordinačių sistemos ir veikiančios jėgos ir momentai

2.2. funkcijos skleidimas furjė ir Teiloro eilute

Kiekvieną periodinę funkciją f t( ) galima išskleisti Furjė eilute:

f t A A kt T B kt Tkk

kk

( ) = + ( ) + ( )=

=

∞∑ ∑0

1 12 2sin / cos /π π , (2.1a)

čia AT

f t kt T dtkT

T

= ( ) ( )−

∫2 2

2

2sin /π ,

BT

f t kt T dtkT

T

= ( ) ( )−

∫2 2

2

2cos /π ,

AT

f t dtT

T

0

2

21= ( )

∫ ,

Page 22: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

21

T – funkcijos f t( ) periodas; A0 – funkcijos vidutinė reikšmė per T periodą.

Kiekvieną periodinę funkciją f ϕ( ) galima išskleisti Furjė eilute:

f A A k B kkk

kk

ϕ ϕ ϕ( ) = + ( ) + ( )=

=

∞∑ ∑0

1 1sin cos , (2.1b)

čia

A f d00

212

= ( )∫πϕ ϕ

π,

A f k dk = ( )∫1

0

2

πϕ ϕ ϕ

πsin( ) B f k dk = ( )∫

1

0

2

πϕ ϕ ϕ

πcos( ) .

Kiekvieną periodinę funkciją f x( ), kai periodas yra L, galima išskleisti Furjė eilute:

f x A ALkx B

Lkxk

kk

k( ) = +

=

=

∞∑ ∑0

1 1

2 2sin( ) cos( )π π , (2.1c)

čia

ALf x dx

L

00

12

= ( )∫ ,

ALf x

Lkx dxk

L= ( )∫

1 2

0sin( )π B

Lf x

Lkx dxk

L= ( )∫

1 2

0cos( )π .

Furjė eilutę galima užrašyti kompleksine forma:

f t c eki k t

T

k( ) =

=−∞

∞∑

2π; (2.2)

čia c A iBk k k= −( )12

, 2π

ωkT k= .

Kompleksinė amplitudė lygi:

cT

f t e dtki k t

TT

T

= ( )−

∫1 2

2

2 π . (2.3)

Page 23: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

22

Dažnių ωk rinkinys vadinamas funkcijos f t( ) spektru. Šiuo atveju spektras yra diskretinis.

Įstatę ck išraišką į (2.2), gausime:

f tT

e f t e dti k t

Tk

i k tT

T

T

( ) = ( )−

=−∞

∞ −

∑ ∫1 2 2

2

2π π. (2.4)

Diferencijuojamą funkciją f q( ) taško q0 aplinkoje galima iš­skleisti Teiloro eilute:

f q f qdf qdq

q qd qdq

q q( ) = ( ) + ( )− +

( )− +0

00

20

2 021

112!

( )!

( )

....!

( )+( )

− + ( )1 00n

d qdq

q q R qn

nn

n , (2.5)

čia R qn ( ) – liekamasis narys.Tegu turime n kintamųjų diferencijuojamą funkciją

f q q qn1 2, ,...,( ). Diferencijuojamą funkciją f q q qn1 2, ,...,( ) taško q0 aplinkoje išskleisime Teiloro eilute:

f q f qf qq

q q ( ) = ( ) +∂ ( )∂ − +0

00

11!

( )

12 0

202 0!

( ) ( ) ....q qf q

qq q R xT

n − ∂ ( )∂

− + + ( ), (2.6)

čia ∂ ( )∂

202

f q

q – vadinamoji Hesės matrica.

Page 24: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

23

a)

b)

c)

d)

Page 25: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

24

e)

2.4 pav. Funkcijos f x x x x( ) = ( ) + ( ) ( )2 2 1 5 6 2 3sin , sin cos skleidimas Furjė eilute: a – 1 harmonika; b – 2 harmonikos; c – 3 harmonikos;

d – 5 harmonikos; e – 6 harmonikos

2.3. kūno pasukimas erdvėje

Posūkio matrica A[ ] yra kvadratinė, jos elementai yra realieji skaičiai. Be to, posūkio matrica yra ortogonalioji matrica, ir jos deter­minantas lygus vienetui, todėl

A AT[ ] = [ ]−1 , det A[ ]( ) =1 .Įvesime nejudančią (inercinę) koordinačių sistemą OXYZ , su

nagrinėjamu kūnu sujungtą judančia koordinačių sistema O X Y Z1 1 1 1 . Nagrinėjant kūno sukimąsi erdvėje labai svarbu, kokia eilės tvarka vyksta sukimasis apie ašis. Priminsime, kad teigiama sukimosi kryptis apie atitinkamą ašį yra prieš laikrodžio rodyklės sukimosi kryptį, jei­gu žiūrėsime iš šios ašies galo. Atliksime kūno sukimą apie ašis X1 , Y1 ir Z1

π2

kampu. Pirmiausia pasuksime apie X1 ašį, o paskui apie

Y1 ir Z1 ašis (2,5 pav. a). Dabar pakartosime tą patį kūno sukimą, bet pirmiausia suksime kūną apie Z1 ašį, o paskui – apie Y1 ir X1 ašis (2.5 pav. b). Palyginę sukimo rezultatus, matome, kad kūno orientaci­jos erdvėje yra skirtingos.

a)

Page 26: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

25

b)2.5 pav. Kūno sukimas:

a – X1 , Y1 ir Z1 ašis π/2 kampu; b – Z1 , Y1 ir X1 ašis π/2 kampu

Įvesime pagal X , Y ir Z ašis vienetinius vektorius (ortus): i , j , k , o išilgai kūno koordinačių – pagal sistemos ašis X1 , Y1 ir

Z1 – vienetinius vektorius: i1 , j1 , k1 . Tada bet kokį vektorių r galima užrašyti XYZ ir X1 , Y1 , Z1 koordinačių sistemose (2.6 pav.):

r r i r j r kx y z = + + , (2.7)

r r i r j r kx y z = + + 1 1 1 1 1 , (2.8)

čia r r i

r r i

xT

xT

= =

;

;1 1 1

r r j

r r j

yT

yT

= =

;

;1 1 1

r r k

r r k

zT

zT

= =

;

,1 1

arba r r r rTx y z = , , ; r r r rT

x y z1 1 1 1 = , , .

2.6 pav. Dvi koordinačių sistemos:OXYZ – nejudanti (inercinė); O X Y Z1 1 1 1 – judanti

Page 27: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

26

Užrašysime koordinačių sistemos O X Y Z1 1 1 1 ortus i1 , j1 , k1 per koordinačių sistemos OXYZ ortus i , j , k :

i a i a j a kj a i a j a kk a

1 11 21 31

1 12 22 32

1

= + + = + + =

;;

113 23 33i a j a k + + ,

(2.9)

čia a n mnm = =( )1 2 3 1 2 3, , ; , , – krypties kosinusai,a e enm n

Tm= ,

kai e i1 = ; e j2 = ; e k3 = ; e i1 1 = ; e j2 1 = ;

e k3 1 = .

Įstatę ortus iš (2.9) į (2.8), gausime

r a r a r a r i

a r a r a r j

x y z

x y z

= + +( ) ++ + +( ) ++

11 1 12 1 13 1

21 1 22 1 23 1

aa r a r a r k

r i r j r kx y z

x y z

31 1 32 1 33 1+ +( ) == + + ,

(2.10)

arba matricine forma

r A r = [ ] 1 , (2.11)

čia r ir r1 – tas pats vektorius, užrašytas OXYZ ir O X Y Z1 1 1 1 koor dinačių sistemose, atitinkamai; A[ ] – krypties kosinusų matrica, arba koordinačių transformacijos matrica:

Aa a aa a aa a a

[ ] =

11 12 13

21 22 23

31 32 33

. (2.12)

Koordinačių transformacijos matrica yra posūkio matrica, ka­dangi ji yra kvadratinė ir ortogonalioji matrica, ir jai galioja sąlygos: A AT[ ] = [ ]−1 , det A[ ]( ) =1 , A A ET[ ] [ ] = [ ] .

Page 28: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

27

Koordinačių sistemoje OXYZ ortai i , j , k lygūs:

i T = [ ]1 0 0, , ; jT = [ ]0 1 0, , ; k T = [ ]0 0 1, , . (2.13)

Tada pagal (2.70) išraiškas OXYZ koordinačių sistemoje užrašyti i1 , j1 , k1 yra lygūs:

i a a aT1 11 21 31 = [ ] ; j a a aT

1 21 22 32 = [ ] ,k a a aT

1 13 23 33 = [ ] . (2.14)

Iš (2.14) išraiškų matome, kad matricos A[ ] stulpeliai yra ortų i1 , j1 , k1 , užrašytų OXYZ koordinačių sistemoje, elementai, t. y.

A j k[ ] = i1 , ,1 1 . (2.15)

Taikant (2.10) išraišką, galima išreikšti vektorių r1 per vektorių r :

r A r A rT1

1 = [ ] = [ ] −. (2.16)

Tarkime, turime du vektorius r ir b , užrašytus OXYZ koor­dinačių sistemoje, ir du vektorius r1 ir b1 , užrašytus O X Y Z1 1 1 1 koordinačių sistemoje. Tada vektorių r ir b vektorinę sandaugą galima užrašyti tokiu pavidalu:

r b A r b[ ] = [ ] ( )1 1 . (2.17)

Bet b A b = [ ] 1 , (2.18)

tada iš (2.17) išraiškos gauname:

r A b A r b[ ][ ]( ) = [ ][ ]( ) 1 1 1 . (2.19)

Sulyginę matricas prie vektoriaus b1 (2.19) lygybės kairėje ir dešinėje pusėse, gauname:

r A A r[ ][ ] = [ ][ ]1 . (2.20)

Page 29: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

28

Iš dešinės pusės padauginę (2.82) lygybę iš A T[ ] , gauname:

A r r A r A T[ ]

= [ ] = [ ][ ][ ]1 1

~ .

(2.21)

Analogiškai galima gauti ir kitą išraišką:

A r r A r AT T[ ]

= [ ] = [ ] [ ][ ]

~

1 . (2.22)

Tarkime, du kūnai i ir j sukasi apie bendrą ašį, kuri sutampa su kūnų X i1 ir X j1 ašimis (2.7 pav.).

2.7 pav. Dviejų kūnų sukimasis apie bendrą ašį

Pasinaudojus dviejų vektorių skaliarine ir vektorine sandaugo­mis, nagrinėjamu atveju galima gauti tokias išraiškas:

j jiT

j = ( )cos α , (2.23)

j j iiT

j i = ( )sin α . (2.24)

Padauginę iš kairės pusės išraišką (2.86) iš vektoriaus iiT , gau­

name:

i j jiT

i j

= ( )

~sin α . (2.25)

Page 30: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

29

Užrašius kūnų i ir j ortus šių kūnų koordinačių sistemoje X Y Zi i i iš jjj ZYX , (2.23) ir (2.25) galima perrašyti tokiu pavidalu:

j A A j

k A A j

iT

iT

j j

iT

iT

j j

1 1

1 1

[ ] = ( )

− [ ] = (

cos

sin

α

α)). (2.26)

Žinodami sin α( ) ir cos α( ) reikšmes, galime rasti kampą α :

α

π

π

π=

( ) > >> =

− ( ) > <

arctg

arctg

s c kai s ckai s c

s c kai s c

, ,, ,

, ,

0 02 0 0

0 0

++ ( ) < <

< =

− ( ) < >

arctg

arctg

s c kai s c

kai s c

s c kai s c

, ,

, ,

, ,

0 0

32

0 0

2 0

π

π 00

, (2.27)

čia s k A A jiT

iT

j j= − [ ] 1 1 ; c j A A jiT

iT

j j= [ ] 1 1 .

Nagrinėjant kūno sukimąsi, reikia žinoti posūkio (koordinačių transformacijos) matricą. Posūkio matricą galima apskaičiuoti naudo­jant Kardano, Oilerio kampus, Oilerio parametrus [32].

Naudojant Kardano kampus θ θ θ1 2 3, ,( ) posūkio matrica lygi:

Ac c c s s

s s c c s s s s c c s cs s c s s

θ( ) =−

+ − + −−

2 3 2 3 2

1 2 3 1 3 1 2 3 1 3 1 2

1 3 1 2 33 1 2 3 1 3 1 2c s s s c c c+

, (2.28)

čia si i= ( )sin θ ; ci i= ( )cos θ , i =1 2 3, , .

Ryšys tarp kūno kampinio greičio ω , užrašyto OXYZ koordinačių sistemoje, ir Kardano kampų vektoriaus laiko išvestinės θ yra lygus:

ω θ θ = ( ) G1 , (2.29)

Page 31: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

30

čia ω ω ω ω = T

x y z ; θ – Kardano kampų išvestinių pagal laiką vektorius,

θθ θ θ =

T ddtddtddt

1 2 3 ; (2.30)

Gs

c c ss c c

1

2

1 2 1

1 2 1

1 000

θ( ) = −

. (2.31)

Kampinio greičio vektorių ω galima užrašyti taip:

ωϕ ϕ ϕ ϕ =

=

TT

x x zddt

ddtddtddt

, (2.32)

čia ϕ – posūkio kampų vektorius; ϕ ϕ ϕx y z, , – posūkio kampai apie X Y Z, , ašis atitinkamai.

Posūkio kampų vektoriaus ϕ variacija (variacija – be galo ma­žas pokytis) lygi:

δ ϕ θ θ = ( ) G1 . (2.33)

Kampinio greičio vektoriaus ω , užrašyto kūno koordinačių sis­temoje O X Y Z1 1 1 1 , ryšys su Kardano kampų vektoriumi θ yra:

ω θ θ = ( ) G2 , (2.33)

čia

Gc c sc s cs

2

2 3 3

2 3 3

2

00

0 1θ( ) = −

, (2.34)

kampinio greičio vektorių ω galima užrašyti taip:

ωϕ ϕ ϕ ϕ

=

=

TT

x y zddt

d

dt

d

dtddt

, (2.35)

čia ϕ – posūkio kampai apie X Y Z1 1 1 ašis atitinkamai.

Page 32: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

31

Posūkio kampų vektoriaus ϕ variacija lygi:

δ ϕ θ δ θ = ( ) G2 . (2.36)

Kampinių pagreičių vektoriai OXYZ ir O X Y Z1 1 1 1 koordinačių sistemose yra lygūs:

ddt

G Gωω θ θ θ θ

= = ( ) + ( )

1 1 , (2.37)

ddt

G Gωω θ θ θ θ

= = ( ) + ( )

2 2 . (2.38)

Ryšys tarp kampinių greičių vektorių ω ir ω yra lygus:

ω ω[ ] = [ ][ ][ ]A A T ; (2.39)

ω ω[ ] = [ ] [ ][ ]A AT , (2.40)

čia ω

ω ω

ω ωω ω

[ ] =−

−−

0

00

z y

z x

y x

; ω

ω ω

ω ωω ω

[ ] =−

−−

0

00

z y

z x

y x

.

Posūkio matricos A θ( ) išvestinės pagal laiką yra lygios:

A A Aθ ω θ θ ω( ) = [ ] ( ) = ( ) [ ] , (2.41)

A A A A Aθ ω ω ω ω( ) = [ ] + [ ] [ ] = [ ] + [ ][ ]2 2. (2.42)

Kūno taško P koordinačių vektorius Rp OXYZ koordinačių sistemoje yra lygus:

R R R R A rp c cp c cp = + = + ( ) θ 1 , (2.43)

Page 33: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

32

čia Rc – kūno masių centro vektorius OXYZ koordinačių sistemo­je; R A rcp cp = ( ) θ 1 – vektorius tarp kūno taškų c ir P O X Y Z1 1 1 1 koordinačių sistemoje.

Kūno taško P greičių vektorius Vp OXYZ koordinačių siste­moje yra lygus:

V R R A r R Rp p c cp c cp = = + = + [ ] = 1 ω

= + [ ][ ] == + [ ][ ]

R A r

R A r

c cp

c cp

ω

ω

1

1 .

(2.44)

Kūno taško P pagreičių vektorius Vp OXYZ koordinačių sis­temoje yra lygus:

V R A r R A r

A

p c cp c cp = + = + [ ] ++[ ][

1 1ω

ω]] 21r cp .

(2.45)

Virtualūs poslinkiai ir posūkiai:

δ δ ϕ δ ϕA A A[ ] = [ ][ ] = [ ] ; δ ϕ δ = [ ] [ ]A AT ;

δ δ δ δ δ ϕR R A r R Rp c cp c cp = + [ ] = + [ ] =1

= + [ ] δ ϕR A rc cp 1 ; (2.46)

δ δ δ ϕ δ ϕR A r A A rp cp cp = [ ] = [ ] = −[ ]

1 1 .

Kūną sukant kampais ϕ ϕ ϕx y z, , apie X, Y, Z ašis, posūkio matri­cos turi tokias išraiškas:

A x x x

x x

ϕ ϕ ϕϕ ϕ

( ) = ( ) − ( )( ) ( )

1 0 000

cos sinsin cos

;

Page 34: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

33

A y

y y

y y

ϕ

ϕ ϕ

ϕ ϕ

( )

=

( ) ( )

− ( ) ( )

cos sin

sin cos

0

0 1 0

0 0;

A z

z z

z zϕϕ ϕϕ ϕ( ) =( ) − ( )( ) ( )

cos sinsin cos

00

0 0 1. (2.47)

Nagrinėjant kūno judėjimą, kai kūnas pasisuka mažais kampais, t. y. ϕ → 0 , posūkio matrica yra lygi:

A Eϕ ϕ( ) = [ ] + [ ] , (2.48)

arba

A E Eϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ( ) = [ ] + [ ] + [ ][ ] = [ ] + [ ] + [ ]

12

12

2 , (2.49)

arba bendruoju aveju

A Ejj

n jϕ ϕ( ) = [ ] + [ ]

=∑

11 !

. (2.50)

2.4. Matricos tikrinės reikšmės ir vektoriai

Tarkime, turime tiesinę diferencialinę lygčių sistemą:

r A r B = [ ] + . (2.51)

Homogeninės lygčių sistemos

r A r = [ ] (2.52)

sprendinį užrašysime tokiu pavidalu:

r e Xt = λ . (2.53)

Page 35: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

34

Įstatę sprendinį (2.116) į (2.115) lygtį, gausime:

A X X[ ] = λ , (2.54)

čia A[ ] – kvadratinė matrica; X – nežinomasis vektorius; λ – ne­žinomasis daugiklis.

Lygčių sistemą (2.54) galima užrašyti tokiu pavidalu:

A E X[ ] − [ ]( ) =λ 0 , (2.55)

čia E[ ] – vienetinė matrica.

Homogeninė tiesinių lygčių sistema (2.55) turi nenulinį sprendinį tik tada, kai jos determinantas lygus nuliui:

det A E

a a aa a a

a a a

n n n

n

n n n n

[ ] − [ ]( ) =−

λ

λλ

λ

12

21 22 22

2 1 2 2 2 2

= 0

(2.56)

Gauta lygtis yra 2n-tojo laipsnio algebrinė lygtis, kurios kairioji pusė yra 2n-tojo laipsnio daugianaris nežinomojo parametro λ atžvilgiu:

D C C C C Cii

i

nnnλ λ λ λ λ( ) = = + + +

=∑

0

20 1 2

2

čn. (2.57)

Daugianaris D λ( ) vadinamas matricos A[ ] charakteringuoju daugianariu, o lygtis

D λ( ) = 0 (2.58)

– matricos A[ ] charakteringąja lygtimi. Bendruoju atveju 2n­tojo laipsnio daugianaris turi n šaknų. Parametras λ vadinamas matri­cos A[ ] tikrine reikšme. Charakteringojo daugianario šaknys λi , i n=1 2 2, ,... , gali būti realiosios, kompleksinės ir kartotinės. Lygties (2.119) sprendinys X vadinamas tikriniu matricos A[ ] vektoriumi. Vektoriai X nustatomi konstantos tikslumu. Tikrinės reikšmės λi , o X i – tikriniai vektoriai, i n=1 2 2, ,... .

Page 36: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

35

Kai A[ ] – simetrinė matrica, tai X i – ortogonalieji vektoriai.Nagrinėsime du sprendinius: λi , X i ir λ j , X j . Lygčių sis­

temą (2.55) galima užrašyti:

A X Xi i i[ ] = λ , (2.59)

A X Xj j j[ ] = λ . (2.60)

Lygtį (2.59) iš kairės pusės padauginsime iš vektoriaus X jT , o

lygtį (2.60) – iš vektoriaus X iT :

X A X X XjT

i i jT

i [ ] = λ , (2.61)

X A X X XiT

j j iT

j [ ] = λ . (2.62)

Iš lygties (2.61) atimsime lygtį (2.62) ir kadangi matrica A[ ] yra simetrinė, tai gausime:

λ λi j jT

iX X−( ) = 0 . (2.63)

Iš (2.63) lygties matyti, kad dviejų vektorių X i ir X j skalia­rinė sandauga yra lygi:

X Xkai i jkai i jj

Ti = ≠≠ =

00,,

,

čia X i , X j – ortogonalieji vektoriai.Sunormavus vektorius X i ir X j , t. y.

XX

Xii

i

=

;

XXXj

i

j

=

, (2.64)

čia Xi , X

j – vienetiniai vektoriai,

galima gauti tokią išraišką:

X A Xkai i jkai i ji

T

ji [ ] =

=≠

λ ,,0

. (2.65)

Page 37: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

36

Iš ortonormuotųjų vektorių Xi i n=1 2 2, ,..., , galima sudaryti

ortogonaliąją matricą:

X X X Xn[ ] =

1 2 2

, ,..., . (2.66)

Tada (2.65) išraišką galima užrašyti tokiu pavidalu:

X A XT

n

[ ] [ ][ ] =

λλ

λ

1

2

2

0 00 0

0 0

. (2.67)

Lygčių sistemos (2.52) sprendinį galima užrašyti taip:

r t X e C X e Cii

n ti

ti( ) = = [ ] =∑

1

2 λ Λ , (2.68)

čia e diag e

e

e

e

t t

t

t

t

i

n

Λ = ( ) =

λ

λ

λ

λ

1

2

2

0 0

0 0

0 0 0

. (2.69)

Įrašykime naują vektorių:

r t X u t( ) = [ ] ( ) , (2.70)

čia u t( ) – modalinių koordinačių vektorius.Tada lygčių sistemą (2.114) galima užrašyti taip:

u X A X u X B = [ ] [ ][ ] + [ ] − −1 1 , (2.71)

ir lygčių sistema, įvertinus (2.71) išraišką, susiskaido į 2n nepriklau­somų pirmosios eilės lygčių:

u u g ti i i i− = ( )λ , i n=1 2 2, ,... , (2.72)

čia g ti ( ) – vektoriaus g X B t = [ ] ( ) −1 i­tasis elementas.

Page 38: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

37

Panaudojant matricos charakteringąjį daugianarį D λ( ) , galima nustatyti dinaminės sistemos stabilumą. Tam tikslui, panaudojant cha­rakteringojo daugianario koeficientus Ci , reikia suformuoti Gurvico matricą, pavyzdžiui, kai charakteringas daugianaris yra ketvirtos eilės, tada Gurvico matrica lygi:

G

C CC C C

C CC C C

[ ] =

1 3

0 2 4

1 3

0 2 4

0 00

0 00

. (2.73)

Dinaminė sistema yra stabili, kai visi pagrindiniai Gurvico matri­cos minorai yra teigiami, t. y.

∆k kai k n> =0 1 2 2, , ,... . (2.74)

∆1 1=C ; ∆2 1 2 0 3= −C C C C ;∆3 1 2 3 0 32

4 12= − −C C C C C C C ir t. t.

Tegu dinaminės sistemos judėjimo lygčių sistema:

M q C q K q F t[ ] + [ ] + [ ] = ( ) , (2.75)

čia M C K[ ] [ ] [ ], , – masių, slopinimo ir standumo matricos, atitinka­mai; q q q , , – pagreičių, greičių ir poslinkių vektoriai, atitinka­mai;

F t( ) – išorinių jėgų vektorius. Tegu šioje lygčių sistemoje yra n nežinomųjų.

Homogeninės lygčių sistemos

M q C q K q[ ] + [ ] + [ ] = 0 (2.76)

sprendinį užrašysime tokiu pavidalu:

q X e t = λ . (2.77)

Įstatę sprendinį (2.77) į (2.76) lygtį, gausime:

λ λ2 0M C K X[ ] + [ ] + [ ]( ) = , (2.78)

Page 39: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

38

čia X – nežinomasis vektorius, kuris vadinamas dinaminės siste­mos savąja forma; λ – nežinomasis daugiklis.

Panagrinėsime atvejį, kai slopinimo matrica yra lygi nuliui, t. y. C[ ] = 0, tada lygčių sistema (2.78) yra

λ2 0M K X[ ] + [ ]( ) = . (2.79)

Teguλ ω= i t , ω – savasis kampinis dažnis; i – kompleksinis me­namas skaičius, i = −1 , tada lygčių sistema (2.79) yra lygi:

− [ ] + [ ]( ) = ω2 0M K X . (2.80)

Homogeninė lygčių sistema (2.80) turi nenulinį sprendinį tik tada, kai jos determinantas lygus nuliui:

det − [ ] + [ ]( ) =ω2 0M K .Gauta lygtis yra n-tojo laipsnio algebrinė lygtis, kurios kairioji

pusė yra n-tojo laipsnio daugianaris nežinomojo savojo kampinio daž­nio ω2 atžvilgiu:

D C C C C Cii

i

nn

nω ω ω ω ω2 2

00 1

22

4 2( ) = = + + +=∑

. (2. 81)

Daugianaris D ω( ) vadinamas matricos M K[ ] [ ]−1 charakterin­guoju daugianariu, o lygtis

D ω( ) = 0 (2.82)– matricos M K[ ] [ ]−1 charakteringąja lygtimi.

Savieji dažniai išdėstomi didėjančia tvarka: ω ω ω ω1 2 3≤ ≤ ≤ ≤... n .Dinaminė (mechaninė) sistema esant tam tikram savajam dažniui

ωk virpa (deformuojasi) ir jos deformavimosi formą apibūdina savo­ji forma vektorius Xk .

Kaip savųjų formų pavyzdys, 2.8 pav. parodytos plonos plokšte­lės pirmos keturios savosios formos.

Page 40: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

39

a)

b)

c)

Page 41: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

40

d)

e)

2.8 pav. Plonos plokštelės pirmosios keturios savosios formos: a – plokštelės schema; b – pirmoji savoji forma ; c – antroji savoji forma;

d – trečioji savoji forma; e – ketvirtoji savoji forma

Normalizuosime savuosius vektorius X k nk =, , ,...,1 2 pagal masių matricą M[ ] ,

XX M X

Nk

kT

k

= [ ]

1. (2.83)

Normalizuoti savieji vektoriai turi tokias savybes:

X M X ENkT

Nk [ ] = [ ] ; X K XNkT

Nk [ ] = [ ]λ , (2.84)

Page 42: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

41

E[ ] – vienetinė matrica;

E[ ] =

1 0 00 1 0

0 0 1

λ

ω

ω

ω

[ ] =

12

22

2

0 0

0 0

0 0

n

– savųjų dažnių kvadratų matrica.

Įvesime naują vektorių:

q t X u tN( ) = [ ] ( ) , (2.85)

čia u t( ) – modalinių koordinačių vektorius, XN[ ] – modalinė ma­trica sudaryta iš sistemos normalizuotų savųjų vektorių,

X X X XN N N Nn[ ] = 1 2, ,..., .Įstatę vektorių (2.85) į lygčių sistemą (2.75) ir iš kairės pusės pa­

dauginę iš XNT[ ] , gausime n nepriklausomų lygčių:

u u X F tNT + [ ] = [ ] ( ) λ (2.86)

arba

u u g tk k k k+ =ω2 ( ) k n=1... (2.87)

g t X F tk jkj

nj( ) = ( )

=∑

1. (2.88)

Bendras (2.87) lygties sprendinys yra lygus:

u t g t dkk

k

t

k( ) = ( ) −( )( )∫1

0ωτ ω τ τsin .

(2.89)

Page 43: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

42

Panagrinėsime atvejį, kai slopinimo matrica nelygi nuliui, t. y C[ ] ≠ 0 . Įstatę (2.875) į (2.76) ir iš kairės pusės padauginę iš XN

T[ ] , gausime n nepriklausomų lygčių:

u X C X u u X F tNT

N NT + [ ] [ ][ ] + [ ] = [ ] ( ) λ (2.90)

arba

u X C X u u g tk NkT

Njj

nk k k k+ [ ] + =

=∑

1

2ω ( ) k = 1...n (2.91)

Kartais slopinimo matrica išreiškiama per standumo ir masių ma­tricas, t. y.

C K M[ ] = [ ] + [ ]α β . (2.92)

Tada narys X C X uNkT

Nj kj

n [ ]

=∑

1(2.91) lygčių sistemoje bus

lygus:X C X uNk

TNj

j

nk [ ] =

=∑

1

= α βX K X X M X uNkT

Nj NkT

Njj

nk [ ] + [ ] ( ) =

=∑

1

= αω δ βδ αω βk jk jkj

nk k ku u2

1

2+( ) = +( )=∑ ,

(2.93)

čia δ jk – Kronekerio daugiklis, δ jkkai j kkai j k

==≠

10

,,

.

Įstatę (2.93) į (2.91) lygtis, gausime:

u u u g tk k k k k k+ +( ) + =αω β ω2 2 ( ) . (2.94)

Standartinės k-osios (2.94) lygties pavidalas yra:

u u u g tk k k k k k k+ + =2 2ξ ω ω ( ) , (2.95)

čia ξk – slopinimo koeficientas, kuris lygus:

ξ αωω

βk kk

= +12

12

. (2.96)

Page 44: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

43

Lygties (2.95) sprendinys yra:

u t g e t dkk k

k

t tk k

k k( ) =−

( ) − −( )( )∫− −( )1

11

2 0

2

ω ξτ ω ξ τ τξ ω τ sin .

(2.97)

Įvesime naują vektorių:

rqq

=

.

(2.98)

Lygčių sistemą (2.76) užrašysime kaip pirmos eilės diferenciali­nių lygčių sistemą, kurioje bendras lygčių skaičius bus lygus 2n :

EE

qq

E

M K M C[ ] [ ][ ] [ ]

[ ] [ ]−[ ] [ ] −[ ] [ ]

− −

00

01 1

=

[ ] ( )

qq M F t

01

(2.99)

arba

B r A r f t[ ] − [ ] = ( ) , (2.100)

čia AE

M K M C[ ] =

[ ]−[ ] [ ] −[ ] [ ]

− −

01 1 ;

B

EE[ ] = [ ] [ ]

[ ] [ ]

00

;

f tM F t

( ) =

[ ] ( )

01

. (2.101)

Norėdami surasti sistemos (1.100) tikrines reikšmes ir vektorius, vektorių f t( ) prilyginsime nuliui, t. y.

Page 45: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

44

B r A r[ ] − [ ] = 0 . (2.102)

Tegu lygčių sistemos sprendinys turi tokį pavidalą:

r r e t = λ , (2.103)

čia λ – tikrinė reikšmė; r – dešinysis tikrinis vektorius.Įstatę sprendinį (2.103) į lygčių sistemą (2.102), gausime:

A B r[ ] − [ ]( ) = λ 0 . (2.104)

Išsprendę tikrinių reikšmių uždavinį (2.104), gauname 2n tikrinių reikšmių ir tikrinių vektorių, t. y. λ j jr, , j n=1 2 2, ,..., . Be to, ben­druoju atveju tikrinės reikšmės ir vektoriai yra kompleksiniai skaičiai,

λ α ωj j ji= + ; r r rj j j = + Re Im , (2.105)

čia Re , Im( ) ( ) – funkcijos, išskiriančios kompleksinio skaičiaus realiąją ir kintamąją dalis.

Įvesime naują vektorių

r r u r r r R ui ii

nN = = = [ ]

=∑

1

21 2 2... , (2.106)

čia R[ ] – dešiniųjų tikrinių vektorių matrica;

R r r r N[ ] = 1 2 2... ;

u – modalinių koordinačių vektorius.Įstatę vektorių (2.106) į lygčių sistemą (2.100), gausime

B R u A R u f t[ ][ ] − [ ][ ] = ( ) . (2.107)

Kairieji tikriniai vektoriai nustatomi išsprendus tikrinių reikšmių uždavinį:

l A BT T [ ] − [ ]( ) = ν 0 (2.108)

Page 46: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

45

arba A B lT T[ ] − [ ]( ) = ν 0 . (2.109)

čia l – kairysis tikrinis vektorius; ν – tikrinė reikšmė.Tikrinės reikšmės apskaičiuotos išsprendus (2.104) ir (2.109) tik-

rinių reikšmių uždavinius, gausime:

λ νj j= ,

tada galioja tokia sąlyga:

det detA B A B T[ ] − [ ]( ) = [ ] − [ ]( )λ λ . (2.110)

Sudarome kairiųjų tikrinių vektorių modelinę matricą:

L l l l N[ ] = ⋅ 1 2 2, , ..., . (2.111)

Sudarysime tokią lygčių sistemą:

A B r

A B l

j j

Tk

Tk

[ ] − [ ]( ) =

[ ] − [ ]( ) =

λ

λ

0

0. (2.112)

Pirmąją lygtį padauginę iš lk , o antrąją lygtį iš rj , gausime

l A B r

r A B l

kT

j j

jT T

kT

k

[ ] − [ ]( ) = [ ] − [ ]( ) =

λ

λ

0

0.

(2.113)

Pirmąją lygtį atimsime iš antros, tada gausime:

χ λk j jT

kr B l−( ) [ ] = 0 . (2.114)

Kai galioja tokia lygybė

r B l l B rjT T

k kT

j [ ] = [ ] , (2.115)

ortogonalumo sąlyga:

r B l l B rkai j kkai j kj

T Tk k

Tj [ ] = [ ] = ≠

=

01,,

(2.116)

Page 47: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

46

L B R ET[ ] [ ][ ] = [ ] (2.117)

arba

R B L ET T[ ] [ ]( )[ ] = [ ]

ir L R BT T[ ] = [ ] [ ]( )−1, (2.118)

bet tada

l A B rkT

j j [ ] − [ ]( ) =λ 0 (2.119)

l A rkT

j j [ ] = λ , (2.120)

nes l B rk jk jk

Tj j [ ] =

≠=

λ01

,, .

Todėl galioja tokia priklausomybė

L A RT[ ] [ ][ ] = [ ]λ , (2.121)

λ λ[ ] ≡ ( )diag j – diagonalinė matrica.

Tada lygčių sistema (2.107) yra:

B R u A R u f[ ][ ] − [ ][ ] = .

Ir gautą lygčių sistemą padauginę iš kairės transponuotą kairiųjų tikrinių vektorių modalinę, gausime:

L B R u L A R u L fT T T[ ] [ ][ ] − [ ] [ ][ ] = [ ] (2.122a)

arba

u u L fT − [ ] = [ ] λ . (2.122b)Gavome nepriklausomų lygčių sistemą:u u hj j j j− =λ ,

Page 48: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

47

h L fj kjk

nk=

=∑

1

2j N=1 2,..., . (2.123)

Lygties (2.123) sprendinys yra:

u t u e h e dj jt

j

t tj j( ) = ( ) + ( )− − −( )∫00

λ λ ττ τ . (2.124)

Kai matrica B E[ ] = [ ] – vienetinė matrica, tada

L B R L R ET T[ ] [ ][ ] = [ ] [ ] = [ ]ir L RT[ ] = [ ]−1

, (2.125)

ortogonalumo sąlyga bus lygi:

R A R[ ] [ ][ ] = [ ]−1 λ . (2.126)

Vektorių r R q = [ ] įstatę į (2.107), gausime:

u u R f − [ ] = [ ] −λ 1 . (2.127)

Lygčių sistemą (2.76) galima užrašyti kaip pirmos eilės diferencia-linių lygčių sistemą, kurios matricos yra simetrinės matricos:

0 00

[ ] [ ][ ] [ ]

−[ ] [ ][ ] −[ ]

KK C

qq

KM

qq

== ( )

0F t , (2.128)

arba A r B r f[ ] − [ ] = , (2.129)

čia

AK

K C[ ] = [ ] [ ][ ] [ ]

0; B

KM F t[ ] = [ ] [ ]

[ ] −[ ]

= ( )

00

0,

r tq tq t( ) = ( )

( )

; f tF t( ) = ( )

0. (2.130)

Matricos A[ ] ir B[ ] – simetrinės matricos.

Page 49: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

48

Modalinė matrica R[ ] lygi:

R r r rX X X

X XNn[ ] = =

1 2 2

1 2 2

1 1 2 2, ,...,

, ,...,

,λ λ

u Xn n2 2 2,...,λ

.

(2.131)

Tikrinė reikšmė, kai ji yra kompleksinė, yra lygi: λ α ωk k ki= + . (2.132)

Funkciją e tλ galima užrašyti taip: e e e et t i t i tλ α ω α ω= = +( ) .

Tegu dešiniųjų ir kairiųjų tikrinių vektorių sudėtis yra lygi:

rX

Xj

j

j j =

λ; l

Y

Yj

j

j j =

λ. (2.133)

Tada ortogonalumo sąlyga yra lygi:

l B rkai j k

kai kkT

j [ ] = ≠

=

0

1

,

,

(2.134a)

arba

L B R ET[ ] [ ][ ] = [ ] . (2.134b)

1) būdas: BE

E[ ] = [ ] [ ][ ] [ ]

00 – vienetinė matrica,

Y X Y Xkai j kkai j kk

Tj k j k

Tj + = ≠

=

λ λ01,,

Y X Y X ET T[ ] [ ] + [ ][ ] [ ] = [ ]λ (2.135)

λ λ λ λ λ[ ] = ( ) = ( )diag diagj n2

12

22

22, ,... .

Page 50: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

49

2) būdas: BK

M[ ] = [ ] [ ][ ] −[ ]

00

– simetrinė matrica.

Y K X Y M Xkai j k

kai j kkT

j k j kT

j [ ] − [ ] == ≠

=

λ λ

0

1

,

, (2.136a)

arba matricine forma:−[ ][ ] [ ][ ] + [ ] [ ][ ] = [ ]λ Y M X Y K X ET T

. (2.136b)

Įstatę (2.136) išraišką į (2.129) lygčių sistemą ir iš kairės padau­ginę L T[ ] , gausime:

L A R u L B R u L fT T T[ ] [ ][ ] − [ ] [ ][ ] = [ ] (2.137)

arba γ j j j ju u h− = , (2.138)

čia h L fj kjk

nk=

=∑

1

2.

Pavyzdys. Duota trijų lygčių sistema:

M q C q K q F t[ ] + [ ] + [ ] = ( ) ,

M =

0 5 0 00 1 00 0 0 5

,

,;

C =

0 1 0 00 0 2 00 0 0 1

,,

,;

K =−

− −−

2 0 1 0 01 0 4 0 10 1 0 2 0

, ,, ,

, ,; q

qqq

=

1

2

3

.

Suformuojame A ir B matricas:

AK

K C[ ] = [ ] [ ][ ] [ ]

0; B

KM[ ] = [ ] [ ]

[ ] −[ ]

00

.

Page 51: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

50

Pradinę lygčių sistemą užrašome kaip pirmojo laipsnio lygčių sis-temą:

A r B r f[ ] − [ ] =

r tq tq t( ) = ( )

( )

; f t F t( ) = ( )

0,

čia

A =

−− −

−−

0 0 0 2 0 1 0 00 0 0 1 0 4 0 1 00 0 0 0 1 0 2 0

2 0 1 0 0 0 10 0 01 0 4

, ,, , ,

, ,, , ,, ,00 1 0 0 0 2 0

0 1 0 2 0 0 0 0 10−

, ,, , ,

;

B =

−− −

−−

2 0 1 0 0 0 0 01 0 4 0 1 0 0 0 00 1 0 2 0 0 0 00 0 0 0 5 0 00 0 0 0 1 0 00 0

, ,, , ,

, ,,

,00 0 0 0 5−

,

.

Sprendžiame tikrinių reikšmių uždavinį (2.165):

A B r[ ] − [ ]( ) = λ 0 .

Dešiniųjų tikrinių reikšmių vektorius ir dešiniųjų tikrinių vekto-rių matrica yra lygūs:

Page 52: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

51

λ[ ] =

− + ⋅− − ⋅− + ⋅− − ⋅− +

0 1 2 4470 1 2 4470 1 1 9970 1 1 9970 1

, ,, ,, ,, ,,

iiiii ⋅⋅

− − ⋅

1 4110 1 1 411

,, ,i

;

R[ ] =

− − ⋅ − + ⋅ − − ⋅ −0 00891 0 218 0 00891 0 218 0 0158 0 316 0 0158, , , , , , ,i i i ++ ⋅ − − ⋅ − + ⋅+ ⋅

i i ii

0 316 0 0236 0 332 0 0236 0 3320 00891 0 218 0 00

, , , , ,, , , 8891 0 218 0 0 0 0 0 0236 0 332 0 0236 0 3320 008

− ⋅ + ⋅ − ⋅ − − ⋅ − + ⋅−

i i i i i, , , , ,, 991 0 218 0 00891 0 218 0 0158 0 316 0 0158 0 316 0− ⋅ − + ⋅ + ⋅ − ⋅ −i i i i, , , , , , , ,00236 0 332 0 0236 0 332

0 535 0 0 535 0 0 632 0 0 6− ⋅ − + ⋅

+ ⋅ + ⋅ + ⋅i i

i i i, , ,

, , , , 332 0 0 471 0 0 471 00 535 0 0 535 0 0 0 0 0 0

+ ⋅ + ⋅ − ⋅− + ⋅ − − ⋅ − + ⋅ − − ⋅

i i ii i i i

, ,, , ,, ,

, , , , ,471 0 0 471 0

0 535 0 0 535 0 0 632 0 0 632 0 0+ ⋅ − ⋅

− ⋅ + ⋅ − + ⋅ − − ⋅i i

i i i i 4471 0 0 471 0+ ⋅ + ⋅

i i,

Sprendžiame kairiųjų tikrinių reikšmių uždavinį:

l A BT TL

T [ ] − [ ]( ) = λ 0 .

Kairiųjų tikrinių reikšmių vektorius ir kairiųjų tikrinių vektorių matrica yra lygūs:

λL =

− + ⋅− − ⋅− + ⋅− − ⋅−

0 10 2 450 10 2 450 10 2 000 10 2 000 10

, ,, ,, ,, ,,

iiii++ ⋅

− − ⋅

ii

1 410 10 1 41

,, ,

;

R[ ] =

− − ⋅ − + ⋅ − − ⋅ −0 00891 0 218 0 00891 0 218 0 0158 0 316 0 0158, , , , , , ,i i i ++ ⋅ − − ⋅ − + ⋅+ ⋅

i i ii

0 316 0 0236 0 332 0 0236 0 3320 00891 0 218 0 00

, , , , ,, , , 8891 0 218 0 0 0 0 0 0236 0 332 0 0236 0 3320 008

− ⋅ + ⋅ − ⋅ − − ⋅ − + ⋅−

i i i i i, , , , ,, 991 0 218 0 00891 0 218 0 0158 0 316 0 0158 0 316 0− ⋅ − + ⋅ + ⋅ − ⋅ −i i i i, , , , , , , ,00236 0 332 0 0236 0 332

0 535 0 0 535 0 0 632 0 0 6− ⋅ − + ⋅

+ ⋅ + ⋅ + ⋅i i

i i i, , ,

, , , , 332 0 0 471 0 0 471 00 535 0 0 535 0 0 0 0 0 0

+ ⋅ + ⋅ − ⋅− + ⋅ − − ⋅ − + ⋅ − − ⋅

i i ii i i i

, ,, , ,, ,

, , , , ,471 0 0 471 0

0 535 0 0 535 0 0 632 0 0 632 0 0+ ⋅ − ⋅

− ⋅ + ⋅ − + ⋅ − − ⋅i i

i i i i 4471 0 0 471 00 00891 0 218 0 00891 0 218 0 0158

+ ⋅ + ⋅− − ⋅ − + ⋅ − −

i ii i i

,, , , , , ⋅⋅ − + ⋅ − − ⋅ − + ⋅0 316 0 0158 0 316 0 0236 0 332 0 0236 0 332

0 0089, , , , , , ,

,i i i

11 0 218 0 00891 0 218 0 0 0 0 0 0236 0 332 0 0236+ ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅ − − ⋅ − +i i i i i, , , , , , iii i i

⋅− − ⋅ − + ⋅ + ⋅

0 3320 00891 0 218 0 00891 0 218 0 0158 0 316 0 01

,, , , , , , , 558 0 316 0 0236 0 332 0 0236 0 332

0 535 0 0 535− ⋅ − − ⋅ − + ⋅

+ ⋅ + ⋅i i i

i i, , , , ,

, , 00 0 632 0 0 632 0 0 471 0 0 471 00 535 0 0 535 0

, , , ,, ,

+ ⋅ + ⋅ + ⋅ − ⋅− + ⋅ − − ⋅

i i i ii i −− + ⋅ − − ⋅ + ⋅ − ⋅

− ⋅ + ⋅ − + ⋅0 0 0 0 0 471 0 0 471 0

0 535 0 0 535 0 0 632i i i i

i i i, ,

, , , 00 0 632 0 0 471 0 0 471 0− − ⋅ + ⋅ + ⋅

, , ,i i i

Page 53: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

52

Matome, kad dešiniųjų pusių tikrinių reikšmių vektorius λ ir kairiųjų tikrinių reikšmių vektorius λL yra tarpusavyje lygūs:

λ λ = L .

Dešiniųjų pusių tikrinių reikšmių matrica yra lygi:

λ[ ] =

− + ⋅− − ⋅

− + ⋅−

0 1 2 45 0 0 0 0 00 0 1 2 45 0 0 0 00 0 0 1 2 00 0 0 00 0 0 0

, ,, ,

, ,,

ii

i11 2 00 0 0

0 0 0 0 0 1 1 41 00 0 0 0 0 0 1 1 41

− ⋅− − ⋅

− − ⋅

i

ii

,, ,

, ,

Patikrinsime sąlygas, kad trijų matricų sandauga yra lygi vieneti-nei matricai ir tikrinių reikšmių matricoms, t. y.

L B R ET[ ] [ ][ ] = [ ] , L A RT[ ] [ ][ ] = [ ]λ ,

L B R

i i i i i ii i

T[ ] [ ][ ] =

− ⋅ + ⋅ − − ⋅ + ⋅ + ⋅ − − ⋅− + ⋅ + ⋅1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0,

, −− + ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅+ ⋅ − − ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅− ⋅

0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 00 0

i i i ii i i i i ii −− − ⋅ + ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅

+ ⋅ − − ⋅ + ⋅ − − ⋅ − ⋅ − +0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0i i i i i

i i i i i i ⋅⋅− ⋅ − + ⋅ − ⋅ + ⋅ − + ⋅ + ⋅

00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0i i i i i i

L A BT[ ] [ ][ ] =

− + ⋅ − ⋅ + ⋅ − + ⋅ − − ⋅ − + ⋅− ⋅ −

0 1 2 45 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0

, ,,

i i i i i ii 110 2 45 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 10 2 00 0− ⋅ − − ⋅ − − ⋅ − − ⋅ − + ⋅

− ⋅ + ⋅ − + ⋅ +i i i i i

i i i,

, , ii i ii i i i i ii

⋅ − − ⋅ − + ⋅− ⋅ + ⋅ − ⋅ − − ⋅ − − ⋅ − + ⋅+

0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 2 00 0 0 0 00

, ,⋅⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ − + ⋅ − ⋅

− ⋅ + ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 41 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0i i i i i

i i i i i, ,

00 0 1 1 41− − ⋅

, ,i

.

Kaip matyti iš gautų rezultatų, šios sąlygos yra įvykdytos.

2.5. Harmoninė analizė

Tegu sistemos judėjimo lygčių sistema yra:

M q C q K q F t[ ] + [ ] + [ ] = ( ) . (2.139)

Page 54: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

53

Žadinimo vektorių F t( ) suskaidysime:

F t F t F tc s( ) = ( ) + ( )cos sinΩ Ω (2.140)

arba kompleksinė forma:

F t F e F ecpi t

spi t( ) = + −Ω Ω

, (2.141)čia F F i Fcp c s = − ( )1

2;

F F i Fsp c s = + ( )12

, (2.142)

nes

F t F i F e F i F ec si t

c si t( ) = − ( ) + + ( ) =−1

212

Ω Ω

12F i F t i tc s − ( ) ( ) + ( )( ) +cos sinΩ Ω

12F i F t i tc s + ( ) ( ) − ( )( ) =cos sinΩ Ω

12

12

F t F tc s ( ) + ( )

+cos sinΩ Ω

i F t F tc s12

12

( ) − ( )

+sin cosΩ Ω

12

12

F t F tc s ( ) + ( )

+cos sinΩ Ω

i F t F t F t F tc s c s− ( ) + ( )

= ( ) + (1

212

sin cos cos sinΩ Ω Ω Ω )) .

1) Atvejis:Sistemos (1) sprendinių ieškosime tokiu pavidalu:

q q t q tc s = ( ) + ( )cos sinΩ Ω . (2.143)

Įstatę (2.202) ir (2.205) išraiškas į (2.201), gausime lygčių sistemą:

− [ ] + [ ] + [ ]− [ ] − [ ] + [ ]

=

Ω Ω

Ω Ω

2

2

M K C

C M K

qq

FF

c

s

c

s

(2.144)

Page 55: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

54

arba H q Fcs cs[ ] = . (2.145)

Virpesių amplitudes nustatome:

q q t q t A tc s = ( ) + ( ) = −( )cos sin cosΩ Ω Ω ϕ (2.146)

A q qj cj sj= +2 2 ; ϕ jsj

cj

qq

=

arctg . (2.147)

2) Atvejis: kompleksinė formaŽadinimo jėgų vektorių užrašome (2.141) pavidalu. Sistemos

(2.139) sprendinį užrašysime tokiu pavidalu:

q q e q ecpi t

smi t = + −Ω Ω . (2.148)

Įstatę (2.141) ir (2.148) išraiškas į (2.139) lygčių sistemą, gausime:

− [ ] + [ ] + [ ]( ) = − [ ] − [ ] + [ ]( ) =

Ω Ω

Ω Ω

2

2

M i C K q F

M i C K q F

cp cp

sm sm

. (2.149)

Sistemos (2.149) sprendimai yra lygūs:

q H Fcp p cp = , q H Fsm m sm = [ ][ ] , (2.150)

čia: H M i C Kp = − [ ] + [ ] + [ ]( )−Ω Ω2 1;

H M i C Km[ ] = − [ ] − [ ] + [ ]( )−Ω Ω2 1. (2.151)

Sistemos (2.149) sprendinys tada bus lygus:

q q e q e R q ecpi t

smi t

e cpi t = + = ( )−Ω Ω Ω2 . (2.152)

Pavyzdys. Nustatyti TP kūnų poslinkių, greičių ir pagreičių svy-ravimo amplitudes priklausomai nuo dažnio. TP dinaminis modelis pateiktas 2.9 pav.

Page 56: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

55

2.9 pav. TP dinaminis modelis

TP kinetinė, potencinė energijos ir disipatyvinė funkcija yra lygios:

E m x m x m x I x m xk = + + + +( )12 1 1

22 2

23 3

23 4

24 5

2 ;

E k x q t k x q t k x a x xp = − ( )( ) + − −( )( ) + − −( ) +

12 1 1 1

22 2 2

23 3 1 4

21

k x a x x k x a x x4 3 2 4 22

5 3 3 4 52

+ −( ) + − −( ) ;

Φ = − ( )( ) + − −( )( ) + − −( ) +(12 1 1 1

22 2 2

23 3 1 4 1

2c x z t c x z t c x a x x τ

c x a x x c x a x x4 3 2 4 22

5 3 3 4 52

+ −( ) + − −( ) ) ,

čia q t1 ( ) , q t2 −( )τ – kinematiniai žadinimai į pirmąją ir antrąją mases.

Tegu kinematinis žadinimas į pirmąją ir antrąją ašį yra lygūs:

q t h t h tc s1 1 1( ) = +cos( ) sin( )ω ω ;

q t h t h tc s2 1 1−( ) = −( ) + −( )τ ω τ ω τcos( ) sin( ) ,

čia τ =+a av

1 2 ; v – TP judėjimo greitis.

Page 57: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

56

Pradiniai duomenys:

m kg1 75= ;m kg2 75= ;m kg3 1000= ; I kgm3275= ;

m kg4 80= . k k N m1 253 265 10= = ⋅, / ;

k k N m3 443 165 10= = ⋅, / ; k N m5

310 0 10= ⋅, / ;

c c Ns m1 231 0 10= = ⋅, / ; c c Ns m3 4

33 0 10= = ⋅, / ;

c Ns m530 10 10= ⋅, / ; a m1 1 50= , ; a m2 1 750= , a m3 0 90= , ;

h mc1 0 010= , ; h ms1 0 010= , .

Gauti rezultatai parodyti 2.10 pav.

a)

b)

Page 58: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

57

c)

2.10 pav. TP kūnų virpesių amplitudės: a – poslinkiai; b – greičiai; c – pagreičiai; x1 – juoda spalva; x2 – mėlyna spalva; x3 – raudona spalva;

x4 – žalia spalva; x5 – geltona spalva

2.6. atsitiktiniai stacionarūs priverstiniai virpesiai

Tegu sistemos judėjimo lygčių sistema lygi:

M q C q K q B F[ ] + [ ] + [ ] = [ ] , (2.153)

čia M C K[ ] [ ] [ ], , – masių, slopinimo ir standumo matricos;

q q q , , – poslinkių, greičių ir pagreičių vektoriai.Vektorius F t( ) atsitiktinės charakteristikos žinomas, būtent,

spektrinis tankis SF ω( ) .Funkcijos f t( ) koreliacinė funkcija lygi:

R t t M F t F t M e d eFk k k ki t

k di, , * *

1 1 1( ) = ( ) ( )

=

×

−∞

∞−

∫ Φ Φωωω ωωt1

−∞

=

e R d di t tk k

ω ω ω ω−( )

−∞

−∞

∫∫

1 11Φ Φ, * , (2.154)

čia F tk ( ) – centruota F t( ) funkcija,

Page 59: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

58

F t F t F tk k vid( ) = ( ) − ( ). (2.155)

Centruotą funkciją F tk ( ) galima užrašyti panaudojant Furjė in-tegralą:

F t e dk ki t( ) = ( )

−∞

∫ Φ ω ωω (2.156)

arba vektorine forma:

F e dti t = ( ) −∞

∫ Φ ω ω . (2.157)

Pointegrinė funkcija (2.155) priklausys nuo laiko momentų skir-tumo, jeigu funkcija

R Sk k kΦ Φω ω ω δ ω ω( ) ( )

= ( ) −( )*

1 1 1 . (2.158)

Tokiu atveju integruodami (2.158) pagal ω , gausime

R t t S e dF Fi

k k, 1( ) = ( )

−∞

∫ ω ωωτ , (2.159)

čia τ = −t t1 ; SFk ω( ) – spektrinis tankis.Analogiškai galima gauti tarpusavio koreliacinę funkciją:

R t t e S dF Fi

F Fk l k l, 1( ) = ( )

−∞

∫ ωτ ω ω . (2.160)

Lygčių sistemos (2.153) sprendinio ieškosime tokio pavidalo:

q q e di t = −∞

∫ 0ω ω . (2.161)

Įstatę (2.156) ir (2.159) į (2.153) lygtį, gausime

− [ ] + [ ] + [ ]( ) = [ ] ω ω20M i C K q B Φ (2.162)

arba

q M i C K B W i02 1

= − [ ] + [ ] + [ ]( ) [ ] = ( ) −

ω ω ωΦ Φ , (2.163)

čia W i M i C K Bω ω ω( ) = − + [ ] + [ ]( ) [ ]−2 1

.

Skaliarine forma sprendinys (2.161) lygus

Page 60: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

59

q W iko kii

ni= ( ) ( )

=∑ ω ω

1Φ . (2.164)

Tada sprendinys (2.164) lygus:

q W i e dk kii

ni

i= ( ) ( )−∞

=∫ ∑ ω ω ωωτ

1Φ . (2.165)

Sprendinio (2.1465) tarpusavio koreliacinė funkcija lygi:

R t t M q t q tq q k kk l, *

1 1( ) = ( ) ( )

=

M q q e d dk li t t

0 0 1 11 1ω ω ω ωω ω( ) ( )

=−( )

−∞

−∞

∫∫ *

W i W i M i ikj l jn

j

nω ω ω ωρ ρ

ρ( ) ( ) ( ) ( )

==−∞

−∞

∞∑∑∫∫ * *Φ Φ 1

11

⋅ )−( )e d di t tω ω ω ω1 11 .

(2.166)

Pasinaudoję (2.166) išraiška, gausime

R M q q e d dq q k li t t

k l= ( ) ( ) =−( )

−∞

−∞

∫∫ 0 0 1 11 1ω ω ω ωω ω

W i W i S e dkjn

j

nl F F

ij

ω ω ω ωρ

ρωτ

ρ( ) ( ) ( )==−∞

∞∑∑∫

11

* . (2.167)

Kad sprendinys būtų stacionarus, t. y. kad kiekvienas vektoriaus q t( ) elementas būtų stacionari atsitiktinė funkcija, turi būti paten-

kinta sąlyga:

M q q Sk l qk0 0 1 1 1ω ω ω δ ω ω( ) ( )

= ( ) −( )* , (2.168)

čia Sqk ω1( ) – sprendinio vektoriaus k elemento spektrinis tankis.

Įstatę (2.168) į (2.167), gausime:

S e dqi

kω ωωτ( ) =

−∞

∫ ,

W i W i S e dkjn

j

nk F F

ij

ω ω ω ωρ

ρωτ

ρ( ) ( ) ( )==−∞

∞∑∑∫

11

* (2.169)

Page 61: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

60

arba

S W i W i S eq kj k F Fn

j

n ik jω ω ω ωρ

ρ

ωτρ( ) − ( ) ( ) ( )

=

==−∞

∞∑∑∫ *

110 . (2.170)

Iš čia plaukia:

S W i W i Sq kj k F Fn

j

n

k jω ω ω ωρ

ρρ( ) = ( ) ( ) ( )

==∑∑ *

11

. (2.171)

Analogiškai tarpusavio spektrinis tankis lygus

S W i W i Sq q kj k F Fn

j

n

k l jω ω ω ωρ

ρρ( ) = ( ) ( ) ( )

==∑∑ *

11

. (2.172)

Kai

SS kai j

kai jF F

Fj

jρω

ρ

ρ( ) =

=

, ;

, ,0

gausime

S W W S W Sq kj kj Fj

nKJ F

j

n

k j jω ω ω( ) = ( ) = ( )

= =∑ ∑*

1

2

1, (2.173)

S W W Sq q kj lj F Fj

n

k l k lω ω( ) = ( )

=∑ *

1. (2.174)

Komponentės qk dispersija lygi

D S d W W S dq q kj k F Fn

j

n

k k j= ( ) =

−∞

==−∞

∫ ∑∑∫1

21

2 11πω ω

πωρ

ρρ

* , (2.175)

arba

SS kai j

kai jF F

Fj

jρω

ρ

ρ( ) =

=

, ;

, ,0tada

D W S dq kj Fj

n

k j= ( )

=−∞

∞∑∫

12

2

1πω ω . (2.176)

Page 62: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

61

Greičių ir pagreičių dispersijos yra lygios:

D W S dq kj Fj

n

k j

= ( )

=−∞

∞∑∫

12

2 2

1πω ω ω ; (2.178)

D W S dq kj Fj

n

k j

= ( )

=−∞

∞∑∫

12

2 4

1πω ω ω . (2.179)

Tegu sistemos judėjimo lygčių sistema lygi:

M q C q K q B F t D F t[ ] + [ ] + [ ] = [ ] ( ) + [ ] ( )

. (2.180)

Sužadinimus, veikiančius sistemą, F F Fn1 2, ,..., galima išreikšti įvertinus jų vėlinimą pirmojo sužadinimo atžvilgiu:

F t h t1 1( ) = ( ); F t h t h t t2 2 1 2( ) = ( ) = −( ); (2.181)

F t h t h t t3 3 1 3( ) = ( ) = −( ),... .

F t h t h t tn n n( ) = ( ) = −( )1 .

Tegu žinome spektrinį tankį Sh1 ω( ) . Sužadinimus galima užrašy-ti panaudojus Furjė integralą:

F h t t h e dk ki t tk= −( ) = ( )

−∞

∞−( )∫1 0 ω ωω , k n=( )1 2 3, , ,... . (2.182)

F h t t i h e dk k

i t tk= −( ) = ( )−∞

∞−( )∫1 0 ω ω ωω . (2.183)

Tegu sistemos (27) sprendinį ieškosime tokio pavidalo

q t q e di t( ) = ( )−∞

∫ 0 ω ωω . (2.184)

Įstatę (2.243), (2.244) ir (2.245) į (2.241), gausime

− [ ] + [ ] + [ ]( ) = [ ][ ] + [ ][ ] ω ω ω20 0 0M i C K q B H h i D H h

(2.185)arba

Page 63: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

62

q M i C K B i D H h02 1

0 = − [ ] + [ ] + [ ]( ) [ ] + [ ]( )[ ] −

ω ω ω , (2.186)

čia h h h hT0 0 0 0 0 0 0 = , ,... , ,...,, ;

H diag e e ei t i t i tn[ ] = ( ) =− − −1 1 1 12 3, , ,... , , ,...,ω ω ω

1

0

0 11

1

2

3

e

e

e

i t

i t

i tn

ω

ω

ω

.

(2.187)

Sprendinį (2.184) galima perrašyti:

q W i h0 0 = ( ) ω , (2.188)

čia W i M i C K B i D Hω ω ω ω( ) = − [ ] + [ ] + [ ]( ) [ ] + [ ]( )[ ]

−2 1, (2.189)

arba skaliarine forma

q W i h A i hk kjj

nk0

10 0= ( ) ( ) = ( ) ( )

=∑ ω ω ω ω , (2.190)

čia A W ik kjj

n= ( )

=∑ ω

1.

Sprendinio spektrinis tankis lygusS A i Sk hω ω ω( ) = ( ) ( )2 , k h=( )1 2, ,..., .

D A i S dq k hkω

πω ω ω( ) = ( ) ( )

−∞

∫1

2

2

;

Page 64: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

63

D A i S dq k hkω

πω ω ω ω( ) = ( ) ( )

−∞

∫1

2

22 ;

D A i S dq k hkω

πω ω ω ω( ) = ( ) ( )

−∞

∫1

2

24 .

Jeigu sprendinys pasiskirsto pagal normalinį dėsnį, tai gali-me surasti tikimybę to, kad kintamasis qk viršys žinomą ribą qkrib , q qk krib≥( ) ,

P q q e dt Xk krib

x

X≥( ) = = ∞( ) − ( )

−∞

∫1

2

2

1

21π

Φ Φ ,

čia Xqkribyk

1 = σ; myk = 0 ; X q q

Dk

y

k

yk k

= =σ

.

Pavyzdys. Priverstiniai stochastiniai virpesiai.

Nagrinėjamas ketvičio TP modelis. TP judėjimo greitis

v kmval

ms

= =72 20.

.

Kelio nelygumų spektrinis tankis lygus:

S v v vv vz =− +

+ − +

183 21 545 2 413 29 004 38 15 27 17

4 2 3 5

6 4 2 2 3, , ,, , ,

ω ω

ω ω ω vv6.

2.11 pav. TP ketvirčio dinaminis modelis

Page 65: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

64

Kūnų sistemos judėjimo lygčių sistema:

m q c c q k k q c q k q k z t c z tm

1 1 1 2 1 1 2 1 2 2 2 2 1 1

2

+ +( ) + +( ) − − = ( ) + ( );qq c q c q k q k q2 2 2 2 1 2 2 2 1 0+ − + − =

.

mm

qq

c c cc c

qq

1

2

1

2

1 2 2

2 2

1

2

00

+

+ −−

+

k k kk k

qq

k z c z1 2 2

2 2

1

2

1 1 1 1

0+ −−

=

+

M q C q K q U[ ] + [ ] + [ ] = .

Tegu q Y est = ; q s Y est = ; q s Y est = 2 ;

z zest1 = ; z szest1 = .

s M s C K Yk sc

z2 1 1

0[ ] + [ ] + [ ]( ) =

+

;

s M s C K Y s B s u2 [ ] + [ ] + [ ]( ) ( ) = ( ) ;

Bk sc[ ] = +

1 1

0; u z = .

Y s s M s C K B s u W s u( ) = [ ] + [ ] + [ ]( ) ( ) = ( ) −2 1

.

W s s M s C K B s( ) = [ ] + [ ] + [ ]( ) ( )

−2 1.

s i= ω ;

W s W i M iw C K B i( ) = ( ) = − [ ] + [ ] + [ ]( ) ( ) −

ω ω ω2 1.

S W i W i Syk kjl

nu

j

nukl ujulω ω ω ω( ) = ( ) ⋅ ( ) ( )

==∑∑

11

* ;

Page 66: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

65

Kai k=1,

S W i W i Sy u u1 11 11 1 1ω ω ω ω( ) = ( ) ⋅ ( ) ( ) =*

W i Su u112

1 1ω ω( ) ( ) =

R W i I W i Se m u u2

112

11 1 1ω ω ω( )( ) + ( )( )( ) ( ) ;

S W i W i Sy u u2 21 21 1 1ω ω ω ω( ) = ( ) ⋅ ( ) ( ) =*

W i Su u212

1 1ω ω( ) ( ) =

R W i I W i Se m u u2

212

21 1 1ω ω ω( )( ) + ( )( )( ) ( ) ,

čia priimta, kad spektrinis tankis Su u2 2 ω( ) ir tarpusavio spektriniai tankiai Su u1 2 ω( ) ir Su u1 2 ω( ) yra lygūs nuliui.

D S dy y1 11

πω ω( ) = ( )

−∞

∫ ; σy yD1 1= ;

D S dy y12

11

πω ω ω( ) = ( )

−∞

∫ ; σ y yD1 1= ;

D S dy y14

11

πω ω ω( ) = ( )

−∞

∫ ; σ y yD1 1= ;

D S dy y2 11

πω ω( ) = ( )

−∞

∫ ; σy yD2 2= ;

D S dy y 2 221

πω ω ω( ) = ( )

−∞

∫ ; σ y yD2 2= ;

D S dy y1 141

πω ω ω( ) = ( )

−∞

∫ ; σ y yD2 2= .

Page 67: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

66

Tikrinės reikšmės, λ α ω= + i Dažnis, Hzα ω

–204099 64,4226 10,2532–204099 –64,4226 10,2532–2,59007 7,3234 1,16555–2,59007 –7,3234 1,16555

Dviejų masių vidutinių kvadratinių nuokrypių priklausomybė nuo judėjimo greičio parodyta 2.12 pav.

a)

b)

Page 68: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

67

c)

2.12 pav. Dviejų masių vidutinių kvadratinių nuokrypių priklausomybė nuo judėjimo greičio: a – poslinkis; b – greitis;

c – pagreitis; mėlyna spalva – piromoji masė; raudona spalva – antroji masė

Page 69: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

68

3. TransPorTo PrieMonių dinaMinių ModeLių eLeMenTai ir judėjiMo LygTys

3.1. Transporto priemonės dinaminis modelis

Gamtoje visi esantys kūnai yra deformuojami (kūnas – vientisa sistema arba sistema su paskirstytais parametrais), tačiau tokių kūnų judėjimo analizė yra sudėtinga, todėl inžineriniuose skaičiavimuose transporto priemonė nagrinėjama kaip nedeformuojamų kūnų, kurie sujungti tam tikrais elementais, sistema.

Šiuo atveju turime dinaminę sistemą su sutelktais parametrais. Tokiose sistemose nedidelės masės kūnai neįvertinami, deformuoja­mi kūnai pakeičiami tampriai deformuojamais ir neinerciniais ryšiais. Kiti kūnai, kuriems paliekamos inercinės savybės, laikomi materia­liais taškais (koncentruotos masės) arba absoliučiai standžiais kūnais.

Tokių kūnų padėties kitimas erdvėje ir laike apibrėžiamas ne­priklausomomis koordinatėmis. Šių koordinačių skaičius vadinamas laisvės laipsnių skaičiumi (LLs). Trimatėje erdvėje laisvojo kūno padėtis ir orientacija apibrėžiama trimis koordinatėmis ir trimis su­kimo apie ašis kampais, t. y. kūnas turi šešis laisvės laipsnius (trys koordinatės ir trys kampai). Plokštumoje kūno padėtis ir orientacija apibrėžiama dviem koordinatėmis ir posūkio kampu apie ašį, statmeną nagrinėjamai plokštumai, t. y. plokštumoje kūnas turi tris laisvės laips­nius (dvi koordinatės ir kampas). Didinant laisvės laipsnių skaičių, TP dinaminių procesų tikslumas didėja.

Su laisvės laipsnio sąvoka artimai susijusi kita sąvoka – apiben-drintosios koordinatės sąvoka. Apibendrintosios koordinatės dar va­dinamos apibendrintomis Lagranžo koordinatėmis.

Koordinatės – nepriklausomi parametrai, nusakantys materialių­jų taškų padėtį erdvėje. Kai ryšiai holonominiai (geometriniai), api­bendrintųjų koordinačių skaičius lygus mechaninės sistemos laisvės laipsnių skaičiui. Apibendrintoji koordinatė turi tiesioginį atitikme­nį – nagrinėjamąjį poslinkį arba pasisukimo kampą. Kiekvieną api­bendrintąją koordinatę atitinka apibendrintoji jėga.

Page 70: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

69

Sutelktųjų parametrų sistemos dinaminis modelis susideda iš ke­turių pagrindinių elementų: absoliučiai standžių kūnų, tampriųjų ele­mentų, virpesių slopinimo elementų ir TP sistemos judesių reguliavi­mo elementų. Sukomponavus šiuos elementus ir sudaromas sutelktųjų parametrų sistemos dinaminis modelis.

Dinaminiame modelyje pažymimos apibendrintosios koordina­tės, virpesių žadinimo jėgos ir jėgų momentai, virpesius sukeliantys poslinkiai (pavyzdžiui, kelio nelygumai, sukeliantys juo važiuojančio automobilio virpesius), pagrindinių elementų parametrai (masės, ma­sių inercijos momentai, standumai, pasipriešinimo koeficientai) ir kiti, virpesių nagrinėjimui reikalingi, duomenys (3.1 pav.).

a)

b)

Page 71: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

70

c)3.1 pav. TP dinaminiai modeliai: a – geležinkelio vagonas;

b – automobilis; c – dviaukštis autobusas

3.2. kūno ir kūnų sistemos masių inercijos momentai

Absoliučiai standžių (nesideformuojančių) kūnų gamtoje nėra. Tačiau tiriant TP atskiras sistemas, jų dalis, statinį ar kitokį elementą, galima išskirti tas jų dalis, kurių deformacijų leistina nepaisyti (pa­vyzdžiui, stovai, rėmai ir t. t.). Deformuojamąjį virpamosios sistemos elementą dinaminiame modelyje dažnai leistina aproksimuoti vienu ar keliais absoliučiai standžiais kūnais, su kitomis dalimis sujungtais tampriaisiais ir slopinimo ryšiais.

Jeigu TP kūnas juda slenkamuoju judesiu (nesisuka, bet slen­ka), tai jis dinaminiame modelyje apibūdinamas vienu parametru – jo mase m.

Jeigu TP dinaminiame modelyje kūnas sukasi, judantis sukamuoju judesiu kūnas dinaminiame modelyje išreiškiamas ašiniais ir išcentri­niais masių inercijos momentais (masių inercijos tenzorius), judantis sukamuoju ir slenkamuoju judesiu – mase ir minėtais inercijos momen­tais. Visų inercijos momentų SI matavimo vienetas yra kg m⋅ 2.

Page 72: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

71

Kūnas gali judėti tam tikra kryptimi (slenkamasis judesys), suktis apie tam tikrą ašį (sukamasis judesys) ir atlikti du judesius kartu.

Materialusis kūnas turi inercines charakteruistikas: masė ir masių inercijos momentai.

SI vienetų sistemoje kūno masė matuojama kg, o masių inercijos momentas matuojamas kg/m2.

Nagrinėjant kūno slenkamąjį judėjimą reikia žinoti kūnų mases

(pagal antrąjį Niutono dėsnį: m d qdt

F tii

n2

21

= ( )=∑ , o nagrinėjant kūno

sukimąsi apie tam tikrą ašį reikia žinoti masių inercijos momentą (pa­

gal antrąjį Niutono dėsnį): I ddt

M tzz

ii

n2

21

ϕ= ( )

=∑ .

Kūno, kurio medžiagos tankis yra ρ x y z, ,( ) , kūno masė lygi:

m x y z dVV

= ( )∫ ρ , , , (3.1)

kai medžiagos tankis yra pastovus, kūno masė lygi:

m V= ρ , (3.2)

čia V – kūno tūris, ρ – kūno medžiagos tankis, kg m3 .Slenkamojo judesio kūno kinetinė energija lygi:

EkinetinėE v M vkinetinT= [ ] 1

2, (3.3)

čia v v v vTx y z = , , – kūno greičio vektorius, M[ ] – kūno masių

matrica,

Mx y z dV

x y z dVx y z dV

m[ ] =

( )( )

( )

=

∫∫

ρρ

ρ

, ,, ,

, ,

0 00 00 0

0 00 mm

m0

0 0

.

(3.4)

Page 73: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

72

Kiekvienas materialus kūnas turi šešis masių inercijos momentus:

I I I I I Ixx yy zz xy xz yz, , , , , .

Pirmieji trys masių inercijos momentai yra ašiniai masių inercijos momentai I I Ixx yy zz, , , o likusieji trys – išcentriniai masių inerci­jos momentai I I Ixy xz yz, , . Visi šeši kūno masių inercijos momen­tai sudaro kūno masių inercijos tenzorių

I

I I I

I I I

I I I

r r dVxx xy xz

yx yy yz

zx zy zzV

T[ ] =

= [ ] [ ]∫ ρ , (3.5)

čia r[ ] – antisimetrinė matrica;

r

r r

r rr r

z y

z x

y x

[ ] =−

−−

0

00

;

(3.6)r r r rT

x y z = ;

r – kūno taško vektorius, užrašytas OXYZ koordinačių sistemoje;

I r r dVxx y zV

= +( )∫ ρ 2 2 ; I r r dVyy x zV

= +( )∫ ρ 2 2 ;

I r r dVzz x yV

= +( )∫ ρ 2 2 ;

I r r dVxy x yV

= −∫ ρ ; I r r dVxz x z

V= −∫ ρ ;

I r r dVyz y z

V= −∫ ρ ;

(3.7)

I Ixy yx= ; I Ixz zx= ; I Iyz zy= . (3.8)

Page 74: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

73

3.2 pav. Kūno koordinačių sistema OXYZ

Kūno masių inercijos tenzorius yra simetrinė matrica. Centrinių ašių atžvilgiu kūno masių išcentrinai inercijos momen­

tai lygūs nuliui, būtent:

Ixy = 0 , Ixz = 0 , I yz = 0 . (3.9)

Tada kūno masių inercijos tenzorius yra:

II

I

I

xx

yy

zz

[ ] =

0 00 0

0 0

. (3.10)

Besisukančio kūno kinetinė energija lygi:

Ekinetinė E IkinetinT= [ ] 1

2ω ω , (3.11)

čia ω ω ω ω = T

x y z, , – kūno kampinio greičio vektorius.

Page 75: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

74

3.1 lentelė. Pagrindinių kūnų masių inercijos momentai

Rutulys

I I I maxx yy zz= = =25

2

I I Ixy xz yz= = = 0

Plonas diskas

I I maxx zz= =14

2 ; I mayy =12

2

R R rc = + I I Ixy xz yz= = = 0

Cilindras

I I m a hxx zz= = +1

123 2 2( ) ;

I mayy =12

2 ;

I I Ixy xz yz= = = 0

Plona plokštelė

I maxx =1

122 ;

I m a byy = +1

122 2( );

I mbzz =1

122 ;

I I Ixy xz yz= = = 0

Page 76: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

75

Plonas strypas

I I mLxx zz= =1

122 ; I yy = 0 ;

I I Ixy xz yz= = = 0

Kūgis

I I m a hxx zz= = +3

804 2 2( ) ;

I mayy =3

102;

I I Ixy xz yz= = = 0

Pirmas pavyzdys: rasti stačiakampio gretasienio (3.3 pav.) masių inercijos momentus ir užrašyti masių inercijos tenzorių.

3.3 pav. Stačiakampis gretasienis

I y z dV y z dx dy dz m b cxx i i i i

abc

i i i= +( ) = +( ) = +∫ ∫∫∫ρ ρ2 2 2 2

000

2 213

( ) ;

3.1 lentelės pabaiga

Page 77: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

76

I m a cyy = +13

2 2( ) ;

I x y dV x y dx dy dz

a y dy dz

xy i i i i

abc

i i i

i

bc

i

= − = − =

∫ ∫∫∫

∫∫

ρ ρ

ρ

000

2

00

12 ii i

ca b dz mab= − = −∫

14

14

2 2

;

I macxz = −14

; I mbcyz = −14

;

I

m b c mab mac

mab m a c mbc

mac m

[ ] =

+ − −

− + −

− −

13

14

14

14

13

14

14

14

2 2

2 2

( )

( )

bbc m a b13

2 2( )+

.

Bendroje koordinačių sistemoje OXYZ kūno masių centras nusa­komas vektoriumi Rc (3.4 pav.). Taško P padėtis i-tojo kūno koordi­načių sistemoje C X Y Zi i i i nustatoma vektoriumi r . Be to, bendro­sios koordinačių sistemos OXYZ ir i-tojo kūno koordinačių sistemos C X Y Zi i i i ašys yra lygiagrečios.

3.4 pav. Kūnas bendroje koordinačių sistemoje OXYZ

Page 78: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

77

Kūno masių centras bendroje koordinačių sistemoje OXYZ nus­tomas vektoriumi Rc :

Rm

R dVcV

= ∫1

ρ . (3.12)

Taško P padėtis bendroje koordinačių sistemoje OXYZ nustoma vektoriumi R :

R R rc = + . (3.13)

Kūno masių inercijos tenzorius bendroje koordinačių sistemoje OXYZ lygus:

I

I I I

I I I

I I I

R Rxx xy xz

yx yy yz

zx zy zzV

T[ ] =

= ∫ ρ = +∫dV R R dVcT

cVρ

ρ ρ ρ

r r dV R r dV r R dVT

VcT

V

Tc

V[ ] [ ] + [ ] + [ ] [ ]∫ ∫ ∫ ; (3.14)

ρ ρ R R dV R R dV m R RcT

cV

cT

cV

cT

c = = ∫ ∫ ;

ρ r r dV IT

Vcc[ ] [ ] = [ ]∫ ; (3.15)

ρ ρ R r dV R r dVcT

VcT

V [ ] = [ ] =∫ ∫ 0 ; (3.16)

ρ ρr R dV r dV RTc

V

T

Vc[ ] = [ ] =∫ ∫ 0 ,

nes ρ r dVV

=∫ 0 , kadagi kūno koordinačių sistema įvesta masių

kūno centre. Tada gauname, kad kūno masių inercijos tenzorius bendroje koor­

dinačių sistemoje OXYZ lygus:

Page 79: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

78

I I m R Rcc cT

c[ ] = [ ] + , (3.17)

arba išplėstine forma kūno masių inercijos momentai lygūs:

I I m R Rxx xcxc yc zc= + +( )2 2 ; I I m R Ryy ycyc xc zc= + +( )2 2 ;

I I m R Rzz zczc xc yc= + +( )2 2 ; (3.18)

I I mR Rxy xcyc xc yc= − ; I I mR Rxz xczc xc zc= − ;

I I mR Ryz yczc yc zc= − .

Kūno masių inercijos tenzorius masių centro atžvilgiu lygus:

I I m R Rcc cT

c[ ] = [ ] − . (3.19)

antras pavyzdys: rasti stačiakampio gretasienio masių inerci­jos momentus ir užrašyti masių inercijos tenzorių kūno masių centro atžvilgiu (3.5 pav).

3.5 pav. Stačiakampis gretasienis

Page 80: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

79

Masių centro vektorius lygus:

Rxyz

m

xyzdx dy dzc

c

c

c

abc i

i

i

i i =

=

∫∫∫1

000ρ ii

abc

=

12

.

Stačiakampio gretasienio masių inercijos momentai kūno masių centro atžvilgiu lygūs:

I I m y z m b c m b cxcxc xx c c= − +( ) = +( ) −

+

2 2 2 2

2 2

3 2 2 =

m b c12

2 2+( ) ;

I I m x z m a c m a cycyc yy c c= − +( ) = +( ) −

+

2 2 2 2

2 2

3 2 2 =

m a c12

2 2+( ) ;

I I m x y m a b m a bzczc zz c c= − +( ) = +( ) −

+

2 2 2 2

2 2

3 2 2 =

m a b12

2 2+( ) ;

I I mx y m ab m abxcyc xy c c= + = − + =4 4

0 ;

I I mx z m ac m acxczc xz c c= + = − + =4 4

0 ;

I I my z m bc m bcyczc yz c c= + = − + =4 4

0 .

Stačiakampio gretasienio masių inercijos tenzorius masių centro atžvilgiu lygus:

I

m b c

m a c

m a b

cc[ ] =

+( )+( )

+( )

120 0

012

0

0 012

2 2

2 2

2 2

.

Page 81: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

80

Panagrinėsime bedrąjį atvejį, kai i-tojo kūno koordinačių siste­mos C X Y Zi i i i ašys nėra lygiargrečios bendrosios koordinačių siste­mos OXYZ ašims.

Taško P padėtis bendroje koordinačių sistemoje OXYZ nustoma vektorium R (žiūrėti 3.4 pav.):

R R R R A rc cp c = + = + [ ] , (3.20)

čia A[ ] – koordinačių transformacijos matrica (posūkio matrica).Kūno masių inercijos tenzorius bendroje koordinačių sistemoje

OXYZ lygus:

I

I I I

I I I

I I I

R Rxx xy xz

yx yy yz

zx zy zzV

T[ ] =

= ∫ ρ =dV

ρ

R A r A R A r A dVcT T T

cT

V + [ ][ ] [ ]( ) + [ ][ ][ ]( ) =∫

ρ R R dVcT

cV

+∫

ρ A r A A r A dVT T

V

T[ ][ ] [ ] [ ][ ][ ] +∫

ρ ρ

R A r A dV A r A R dVcT T

V

T T

Vc [ ][ ][ ] + [ ][ ] [ ] =∫ ∫

ρ ρ

R R dV A r r dV AcT

cV

T

V

T + [ ] [ ] [ ] [ ] +∫ ∫

R A r dV A A r dV A RcT

V

T T T

Vc [ ] [ ] [ ] + [ ] [ ] [ ] ∫ ∫ρ ρ . (3.21)

Kadangi kūno koordinačių sistema C X Y Zi i i i įvesta kūno masių centre, tai integralai :

ρ r dVV

[ ] =∫ 0 , ρ r dVT

V[ ] =∫ 0

yra lygūs nuliui.

Page 82: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

81

Tada kūno masių inercijos tenzorius bendroje koordinačių siste­moje OXYZ lygus:

I m R R A r r dV A m R RcT

cT

V

TcT

c[ ] = + [ ] [ ] [ ] [ ] = ∫

ρ +

m R R A I AcT

c ccT

+ [ ][ ][ ] , (3.22)

čia: I r r dVccT

V[ ] = [ ] [ ]∫ ρ .

Iš (3.22) išraiškos galima surasti masių inercijos tenzorių Icc[ ] masių centro ašių atžvilgiu, t. y.

I A I A m A R R AccT T

cT

c[ ] = [ ] [ ][ ] − [ ] [ ] . (3.23)

Kiekviena transporto priemonė (TP) sudaryta iš tam tikro skaičiaus materialiųjų kūnų. Nagrinėjant TP judėjimą reikia žinoti kūnų mases, masių inercijos tenzorius, masių centrus bendroje kordinačių siste­moje. Suradus TP masių centro vektorių, galima nustatyti TP masių inercijos tenzorių masių centro atžvilgiu.

3.7 pav. Transporto priemonė kaip tam tikrų kūnų sistema

Tegu žinome bendroje koordinačių sistemoje OXYZ kiekvieno kūno masių centro vektorius Rci .

Page 83: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

82

3.7 pav. Kūnų sistema

Materialiųjų kūnų sistemos masių centro koordinatės yra nusta­tomos taip:

Rm R

mc

i cii

n

ii

n =

=

=

1

1

(3.24)

arba

xm x

mc

i cii

n

ii

n= =

=

1

1

; ym y

mc

i cii

n

ii

n= =

=

1

1

; zm z

mc

i cii

n

ii

n= =

=

1

1

. (3.25)

Kūnų sistemos masių inercijos tenzorius bendroje koordinačių sistemoje OXYZ lygus:

I I m R Rcc ccii

nciT

ci[ ] = [ ] + =∑

1 . (3.26)

Page 84: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

83

a)

b)3.8 pav. Transporto priemonė kaip tam tikrų kūnų sistema:

a – TP masių išdėstymo schema; b – TP masių išdėstymas erdvėje

Page 85: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

84

3.3. jėgų klasifikacija

Išorinės jėgos, veikiančios TP, taip pat ir vidinės jėgos, atsirandan­čios jos ryšiuose, labai skiriasi savo prigimtimi. Jėgos klasifikuojamos taip pat skirtingai – pagal darbo proceso pobūdį, pagal kilmę ir t. t. Nagrinėsime labiausiai paplitusių jėgų klasifikavimą, t. y. jėgų klasifi­kavimas pagal jėgų fizinę prasmę dinaminiuose procesuose.

Veikiančios jėgos skirstomos: – Pozicinės jėgos;– Slopinimo jėgos;– Žadinimo jėgos;– Mišriosios jėgos.Pozicinės jėgos – jėgos, kurias apibrėžia sistemos momentinė

konfigūracija, t. y. nukrypimai nuo pradinės, dažniausiai pusiausvyros, padėties. Tuo atveju, kai pozicinės jėgos kryptis yra priešinga sistemos nukrypimui nuo pradinės padėties, tokia jėga vadinama atstatomąja jėga. Tokio tipo jėga yra standumo jėga, sukelta vidinių ar išorinių ryšių tamprių deformacijų. Kai galioja Huko dėsnis, standumo jėga yra lygi: F kqp = − ; čia k – standumo koeficientas. Atstatomųjų jėgų atsiradimas nebūtinai sietinas su tamprumo savybe, jos gali būti ki­tos kilmės, pavyzdžiui, Archimedo jėga, svorio jėga, elektromagneto traukos (atostūmio) jėga.

Dėl netiesinio ryšio su apibendrintąja koordinate q atstatomą­ją jėgą ne visada galima išreikšti pavidalu F kqp = − . Tada patogu naudotis standumo charakteristikomis, kurios parodytos 3.9 pav. Skiriamos standžiosios ir minkštosios netiesinės standumo charakte­ristikos. Standžiosiomis laikomos charakteristikos su tolydžiai didė­jančiu nuolydžiu (3.9 pav. b), o minkštosiomis – su mažėjančiu nuo­lydžiu (3.9 pav. c). Kai kurios charakteristikos turi lūžius ir trūkius (3.9 pav. d, e).

Sudėtingesniais atvejais pozicinės jėgos analitiškai aprašomos kaip kelių apibendrintų koordinačių funkcijos. Tiesinėse TP kelių lais­vės laipsnių sistemose pozicinės jėgos gali būti išreiškiamos lygčių sistema:

Page 86: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

85

F K qp = −[ ] , (3.27)

čia F qp , – apibendrintų jėgų ir apibendrintų koordinačių vekto­riai;

F

F

F

F

p

p

p

p n

=

,

,

,

...

1

2 ; q

qq

qn

=

1

2

... ,

K[ ] – standumo matrica:

K

k k kk k k

k k k

n

n

n n nn

[ ] =

11 12 1

21 22 2

1 2

...

...... ... ... ...

...

.

Kai Fp – potencinės (konservatyviosios jėgos), tai standumo matrica simetrinė, t. y. K KT[ ] = [ ] .

a) b) c)

d) e)3.9 pav. Standumo charakteristikos: a – tiesinė; b – netiesinė standi;

c – netiesinė minkšta; d, e – laiptuotos

Page 87: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

86

Slopinimo jėgos. Judant TP tam tikriems elementams, be atstaty­mo jėgų, visada veikia pasipriešinimo jėgos Fpas , kurios dažniau­siai priklauso nuo atitinkamų sistemos kūnų taškų greičių. Jos atlieka neigiamą darbą, pasireiškiantį mechaninės energijos išsklaidymu. Prie tokių jėgų priklauso trinties jėgos (kūnų sujungimuose), aplinkos pasi­priešinimo jėgos, vidinės trinties jėgos sistemos elementų medžiagoje ir jėgos, atsirandančios deformuojant specialius slopintuvus (dempfe­riai, amortizatoriai).

Slopinimo jėgų krytis bet kuriuo sistemos elementų judėjimo mo­mentu yra priešinga judėjimo greičiui.

Vieno laisvės laipsnio sistemai slopinimo jėgos charakteristika aprašoma funkcija F qpas ( ) . Pasipriešinimo jėgos priklausomybė nuo greičio gali būti ir netiesinė (3.10 pav.). Sausosios trinties charakteris­tikos yra trūkaus pavidalo. Kaip parodyta 3.10 pav. c, trinties charak­teristika, atitinkanti Amontovo ir Kulono dėsnį, priklauso ne nuo grei­čio didumo, o tik nuo jo krypties, 3.10 pav. d, e parodytos patikslintos sausos trinties charakteristikos.

a) b) c)

d) e)3.10 pav. Slopinimo jėgų charakteristikos:

a – tiesinė; b – netiesinė; c – Amontovo ir Kulono trinties jėgos charakteristika; d, e – patikslintos sausos trinties charakteristikos

Page 88: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

87

Slopinimo jėgų tiesinės charakteristikos matematinė išraiška yra lygi:F cqsl = , (3.27)

netiesinės charakteristikos galima išraiška gali būti tokia:

F c q c qsl = +1 33

, (3.28)

patikslintos sausos trinties charakteristikos gali būti:F F sign q c qsl = ( ) +0 1 , (3.29)

F F sign q c q c qsl = ( ) − +0 1 33

, (3.30)

čia c c1 3, – koeficientai; F0 – rimties trinties jėga; qdqdt

≡ – greitis. Sausos trinties jėgos priklausomybę, atitinkančią paprasčiausią

Amontovo ir Kulono dėsnį, galima užrašyti keliais būdais:

1 būdas

F F qq

F sign qtr tr tr= = ( ), ,0 0

, (3.31)

čia Ftr ,0 – trinties jėgos reikšmė;

sign q

kai q

kai q

kai q

( ) =>

=

− <

1 0

0 0

1 0

,

,

,

.

2 būdas

F F qtr tr=

, arctan0

πε

, kai ε ≤

14qmax , (3.32)

čia ε – mažas parametras, ε < 0 05, .

Trin

ties j

ėga,

N

3.11 pav. Trinties jėgos funkcijos: ε = 0 (juoda spalva); ε = 0 02, (mėlyna spalva); ε = 0 05, (raudona); ε = 0 2, (žalia spalva);

Page 89: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

88

Kelių laisvės laipsnių TP sistemose tiesinio slopinimo jėgos, kaip ir pozicinės jėgos, gali būti pateiktos matricine forma:

F C qpas = −[ ] , (3.33)

čia F qpas , – slopinimo jėgų vektorius ir greičių vektorius; C[ ] – slopinimo matrica,

C

c c cc c c

c c c

n

n

n n nn

[ ] =

11 12 1

21 22 2

1 2

...

...... ... ... ...

...

. (3.34)

Žadinimo jėgos. Atstatymo ir slopinimo jėgų charakteristikos pri­klauso tik nuo TP mechaninės sistemos savybių, o pačios jėgos yra vienokios poslinkių ir greičių funkcijos, tuo tarpu žadinimo jėgos yra išreikštinės laiko funkcijos, nepriklausomos nuo sistemos savybių. Kaip žadinimo jėgų pavyzdžius galima nurodyti neatsvertų rotorių išcentrines jėgas (inercinis žadinimas); jėgas, sukuriamas periodiškai kintančio slėgio vidaus degimo variklių cilindruose; periodines elek­tromagnetines jėgas ir kt.

Žadinimo jėgų kitimų dėsniai gali būti labai įvairūs. Labiausiai paplitę yra tokie:

– Harmoninė jėga;– Periodinė jėga;– Periodiniai mažos trukmės impulsai;– Neperiodinės jėgos;– Atsitiktinės jėgos (procesai).

3.4. Tamprieji elementai, standumo jėgos ir jėgų momentai

TP dinaminį modelį sudaro tamprieji elementai, kurie deformuo­jasi, ir kadangi jų masė yra gana maža, jų masė prilyginta nuliui (be­masiai elementai). Juos deformuojant atsiranda atstatomosios jėgos ir momentai. Tamprūs elementai stengiasi grąžinti kūną į pradinę padėtį, kurioje tos jėgos ir jėgų momentai jau neveiktų (statinė pusiausvyra). Paprasčiausias tokio elemento pavyzdys yra spyruoklė.

Page 90: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

89

Cilindrinę spyruoklę dažniausiai galima aproksimuoti tempiamu (gniuždomu) tampriuoju elementu (3.12 pav.).

3.12 pav. Tamprusis elementas

Atstatomosios jėgos ir atstatomųjų jėgų momentai, kylantys de­formuojamuose tampriuosiuose elementuose, vadinami tamprumo jė­gomis ir tamprumo jėgų momentais.

Tampriųjų elementų tampriaisiais poslinkiais (tiesiniais ir kam­piniais) vadinami tampriųjų elementų deformaciniai poslinkiai, suke­liantys tamprumo jėgas arba momentus.

Tamprumo jėgų ir momentų veikimo kryptys yra priešingos tam­priųjų poslinkių kryptims; jėgų ir momentų moduliai (dydžiai) yra tampriųjų elementų poslinkių funkcijos:

F F qt t= ( ) , M M qt t= ( ) ,

čia Ft , Mt – tamprumo jėgos ir tamprumo jėgų momentas; q – tam­priojo elemento tiesinis ar kampinis poslinkis.

Priešingo ženklo tamprumo jėgos tamprumo jėgos projekcijos į tampriojo tiesinio poslinkio kryptį priklausomybė nuo to poslinkio vadinama jėgine tamprumo charakteristika. Paprasčiausia yra tiesi­nė jėginė charakteristika:

F kqt = ; M kt = ϕ ; (3.35)

arba

F k q qt = −( )2 1 ; M kt = −( )ϕ ϕ2 1 . (3.35)

Page 91: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

90

Tamprusis elementas, kurio jėginė tamprumo charakteristika tie­sinė, vadinamas tiesiniu; visi kiti – netiesiniais.

Koeficientas k vadinamas tempiamo (gniuždomo) arba sukamo elemento standumo koeficientu.

Netiesines jėgines charakteristikas galima linearizuoti tam tikro taško aplinkoje. Tarkime, kad tamprųjį poslinkį q galima išreikšti taip:

q q q= +0 1 , (3.36)

čia q0 – pastovioji poslinkio dedamoji; q1 – kintamoji poslinkio de­damoji, kurios didžiausia reikšmė yra daug kartų mažesnė už pastovų­jį dydį q0 , t. y. q q1 0<< . Tada galima teigti, kad nedideli virpesiai vyksta didelių tampriųjų poslinkių q0 aplinkoje. Šiuo atveju netiesinę tolydinę funkciją F qt ( ) galima linearizuoti poslinkio q0 aplinkoje.

Tolydinė funkcija F q F q qt t( ) = +( )0 1 skleidžiama Teiloro eilute apie pastovųjį dydį q0 :

F q q F qdF qdq

qd F qdq

qt tt

q q

t

q q0 1 0 1

2

2 12

0 0

12

+( ) = ( ) + ( )+

( )+

= =

+ +=

d Fdt

qt

q q

3

3 13

0

.... (3.36)

Kadangi q1 yra mažas dydis, tai dydžiai q12 , q1

3 , … yra daug mažesnis už jį ir, apytiksliai interpretuojant funkciją F q F qt t( ) − ( )0 , jų galima nepaisyti. Tada (3.36) lygybėje palikus narį su q1 , gaunama linearizuota poslinkio q0 aplinkoje jėginė tamprumo charakteristika:

F q F qdF qdq

q kqt tt

q q( ) − ( ) ≅ ( )

==

0 1 10

, (3.37)

čia kdF qdqt

q q

=( )

= 0

– standumo koeficientas.

Pavyzdys. Linearizuoti funkciją F q aqt ( ) = 3 taško q0 aplinkoje.

Page 92: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

91

Tada kdF qdq

aqt

q q

=( )

== 0

3 02 ;

F q F q F q aqdF qdq

q aq q kqt t tt

q q( ) − ( ) = ( ) − ≅

( )= ( ) =

=0 0

31 0

21 1

0

3 .

3.5. Tampriųjų elementų jungimas

Sudarant TP dinaminius modelius dažnai tenka jungti keletą tam­priųjų elementų į vieną ir rasti tokio redukuoto elemento standumo koeficientą.

Lygiagrečiai sujungtus tampriuosius elementus (3.13 pav.), kurių standumo koeficientai k k kn1 2, ,..., , galima pakeisti vienu ekvivalentiniu (redukuotuoju) tampriuoju elementu, kurio standumo koeficientas k.

3.13 pav. Lygiagrečiai sujungtų tampriųjų elementų redukavimas vienu tampriuoju elementu

k k k k k kii

nn= = + + + +

=∑

11 2 3 ... . (3.38)

Tampraus elemento jėginė tamprumo charakteristika (jėga) yra lygi:

F k q q= −( )2 1 . (3.39)

Nuosekliai tarp savęs sujungtų tampriųjų elementų ekvivalenti­nio (redukuotojo) tampriojo elemento standumo koeficientas k nusta­tomas (3.14 pav.):

Page 93: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

92

3.14 pav. Nuosekliai sujungtų tampriųjų elementų redukavimas vienu tampriuoju elementu

1 1 1 1 1 11 1 2 3k k k k k kii

n

n= = + + + +

=∑ ... (3.40a)

arba

k k k k kk k k k k k k k k

n

n n n=

+ + + −

1 2 3

2 3 1 3 1 2 1

...... ... ... ...

. (3.40b)

Redukuoto tampriojo elemento jėginė tamprumo charakteristika (jėga) yra lygi:

F k q q= −( )2 1 . (3.41)Tampriojo elemento potencinė energija lygi:Π = −( )1

2 2 12k q q . (3.42)

3.6. slopinimo elementai, slopinimo jėgos ir momentai

TP dinaminį modelį sudaro be masės slopinimo elementai, kurie deformuojasi. Juos deformuojant, atsiranda atstatomosios jėgos ir mo­mentai, kurie priklauso nuo deformavimosi greičio. Paprasčiausias to­kio elemento pavyzdys yra hidraulinis cilindras ir stūmoklis (3.15 pav.)

3.15 pav. Slopinimo elementas

Page 94: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

93

Atstatomosios jėgos ir atstatomųjų jėgų momentai, kylantys slo­pinimo elementuose, vadinami slopinimo jėgomis ir slopinimo jėgų momentais.

Slopinimo jėgų ir momentų veikimo kryptys yra priešingos grei­čių kryptims; jėgų modulis (ir momentų dydis) yra slopinimo elemen­tų greičių funkcijos:

F F qs s= ( ) , M M qs s= ( ) ,

čia Fs , Ms – slopinimo jėgos ir slopinim jėgų momentas; q – slopi­nimo elemento tiesinis ar kampinis greitis.

Priešingo ženklo slopinimo jėgos projekcijos į slopinimo tiesinio greičio kryptį priklausomybė nuo to greičio vadinama jėgine slopini-mo charakteristika. Paprasčiausia yra tiesinė jėginė charakteristika:

F cqs = ; M cs = ϕ ; (3.44a)

arba F c q qs = −( ) 2 1 ; M cs = −( ) ϕ ϕ2 1 . (3.44b)

Slopinimo elementas, kurio jėginė slopinimo charakteristika tie­sinė, vadinamas tiesiniu; visi kiti – netiesiniais.

Koeficientas c vadinamas tempiamo (gniuždomo) arba sukamo elemento pasipriešinimo koeficientu.

Netiesines jėgines charakteristikas galima linearizuoti tam tikro taško aplinkoje. Tarkime, kad tamprųjį poslinkį q galima išreikšti taip:

q q q= +0 1 (3.45)

čia q0 – pastovioji greičio dedamoji; q1 – kintamoji greičio dedamo­ji, kurios didžiausia reikšmė yra daug kartų mažesnė už pastovųjį dydį q0 , t. y. q q1 0<< . Tada galima teigti, kad nedideli virpesiai vyksta

didelių greičių q0 aplinkoje. Šiuo atveju netiesinę tolydinę funkciją F qs ( ) galima linearizuoti poslinkio q0 aplinkoje. Tolydine funkcija F q F q qs s ( ) = +( )0 1 skleidžiama Teiloro eilute apie pastovųjį dydį q0 :

F q q F qdF qdq

qd F qdqs s

s

q q

s

q q

0 1 0 1

2

20

12

+( ) = ( ) + ( )+

( )= = 00

12q +

Page 95: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

94

+=

d Fdq

qs

q q

3

33

0

1

(3.46)

Kadangi q1 yra mažas dydis, tai dydžiai q12 , q1

3 , … yra daug mažesnis už jį ir, apytiksliai interpretuojant funkciją F q F qs s ( ) − ( )0 , jų galima nepaisyti. Tada (3.46) lygybėje palikus narį su q1 , gaunama linearizuota poslinkio q0 aplinkoje jėginė tamprumo charakteristika:

F q F qdF qdq

q cqs ss

q q

( ) − ( ) ≅ ( )=

=0 1 1

0

, (3.47)

čia cdF qdqs

q q

=( )

=

0

– pasipriešinimo koeficientas.

Pavyzdys. Linearizuoti funkciją F q aqs ( ) = 3 taško q0 aplinkoje.

Tada cdF qdq

aqs

q q

=( )

==

0

3 02 ;

F q F q F q aqdF qdq

q aq qs s ss

q q

( ) − ( ) = ( ) − ≅( )

= ( )=

0 03

1 02

10

3 == cq1 .

3.7. slopinimo elementų jungimas

Sudarant TP dinaminius modelius dažnai tenka jungti keletą slo­pinimo elementų į vieną ir rasti tokio redukuoto elemento pasiprieši­nimo koeficientą.

Tiriamus lygiagrečiai sujungtus slopinimo elementus (3.16 pav.), kurių pasipriešinimo koeficientai c c cn1 2, ,..., , galima pakeisti vienu ekvivalentiniu (redukuotuoju) slopinimo elementu, kurio pasiprieši­nimo koeficientas c.

Page 96: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

95

3.16 pav. Lygiagrečiai sujungtų slopinimo elementų redukavimas vienu slopinimo elementu

c c c c c cii

nn= = + + + +

=∑

11 2 3 ... . (3.48)

Slopinimo elemento jėginė charakteristika (pasipriešinimo jėga) yra lygi:

F c q qs = −( ) 2 1 . (3.49)

Nuosekliai tarp savęs sujungtų slopinimo elementų ekvivalenti­nio (redukuotojo) slopinimo elemento pasipriešinimo koeficientas c nustatomas (3.17 pav.):

3.17 pav. Nuosekliai sujungtų slopinimo elementų redukavimas vienu slopinimo elementu

1 1 1 1 1 11 1 2 3c c c c c cii

n

n= = + + + +

=∑ ... , (3.50a)

arba

Page 97: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

96

c c c c cc c c c c c c c c

n

n n n=

+ + + −

1 2 3

2 3 1 3 1 2 1

...... ... ... ...

. (3.50b)

Redukuoto slopinimo elemento jėginė charakteristika (pasiprieš­nimo jėga) yra lygi:

F c q qs = −( ) 2 1 . (3.51)

Slopinimo elemento disipatyvinė funkcija lygi:

Φ = −( )12 2 1

2c q q . (3.52)

3.8. kūno judėjimo lygčių užrašymo būdai

3.8.1. d’alambero ir Lagranžo lygtys

Bet kokios materialių taškų sistemos su idealiaisiais ryšiais ben­droji suma aktyviųjų ir inercinių jėgų atliekamo darbo bet kuria ga­lima kryptimi ir bet kuriuo laiko momentu lygi nuliui (D’Alambero principas). D’Alambero principo matematinę išraišką, kai materialių­jų taškų skaičius lygus N , galima užrašyti tokiu pavidalu:

F F rak i in iT

ii

N, , + ( ) =

=∑ δ 0

1, (3.53)

čia F Fak i in i, ,, – i-tąjį tašką veikiančios aktyvioji ir inercinė jė­gos; δ ri – galimas poslinkių vektorius, t. y. be galo mažų poslinkių vektorius ( δ ri – poslinkių vektoriaus variacija).

Tarkime, kūno koordinačių sistema yra O X Y Z1 1 1 1, , , . Tada bet kokio kūno taško P poslinkių vektoriaus variacija lygi:

δ δ δ ϕ δ δ ϕr r r r ri i i pi i i pi = + × = + × =10 1 1 10 1 1

= − δ δ ϕr ri pi i10 1 1 , (3.54)

čia δ ϕ1i – pasukimo vektoriaus variacija; δ r i10 – kūno koordina­čių pradžios (taškas O1 ) poslinkių variacija; r p1 – taško P padėties vektorius.

Page 98: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

97

Įstatę (3.54) išraišką į (3.53) lygtį, gausime:

F F r r F Fak i in iT

i pi i ak i in i, , , , + ( ) − ( ) = +δ δ ϕ10 1 1 ( ) −

− + ( ) [ ] ===∑∑

Ti

i

N

i

N

ak i in iT

i i a

r

F F r F

δ

δ ϕ

1011

10 1, , kk i in iT

ii

N

i

N

ak i in iT

F r

M M

, ,

, ,

+ ( ) +

+ + ( )==∑∑ δ

δ ϕ

1011

10ii ∑ ,

,

(3.55)čia M Mak i in i, ,, – aktyviųjų inercinių jėgų pagrindiniai momentai:

M r Fak i pi ak i, , = 1 ;

M r Fin i pi in i, , = 1 . (3.56)

Tarkime, mechanizmas yra sudarytas iš Ng grandžių, ir jo kine­matinės poros yra idealios. Tokiu atveju D’Alambero principo mate­matinę išraišką galima užrašyti šiuo būdu:

F F r M Mak i in iT

ii

N

ak i in ii

N Tg g

, , , , + ( ) + + ( )= =∑ ∑δ δ ϕ10

1 111 0i = .

δ ϕ1 0i = . (3.57)

Tarkime, mechanizmas turi n laisvės laipsnių; apibendrintųjų koor dinačių vektorius yra

q q q qTn = [ ]1 2, ,..., , (3.58)

tada i-tojo kūno koordinačių pradžios poslinkių ir pasukimo kampų variacijos lygios:

δ δrrq

qii

jj

nj10

10

1 =

∂ ∂=

∑ ,

δ ϕϕ

δii

jj

njqq =

∂ ∂=

∑1

. (3.59)

Page 99: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

98

Įstatę (3.59) išraiškas į (3.57) ir įvertinę, kad variacijos δq j ≠ 0 , gauname mechanizmo judėjimo lygčių sistemą:

F Frq

M Mak i in iT i

ji

N

ak i in ii

Ng g

, , , , + ( ) ∂ ∂

+ + ( )= =∑ ∑10

1 1

TTi

jq∂ ∂

=

ϕ10 0 ,

j n=1 2, ,..., . (3.60)

Išskyrus iš veikiančių aktyviųjų jėgų apibendrintąsias jėgas Qj , kurių atliekamas darbas galimų poslinkių δq j kryptimi lygus Q qj jδ , D’Alambero ir Lagranžo lygtis bus tokia:

F F r M Mp i in iT

ii

N

p i in ii

N T

ig g

, , , , + ( ) + + ( )= =∑ ∑δ δ ϕ10

1 11 + =

=∑ Q qj jj

10 ,

(3.61)čia P Mp i p i, ,, – pasipriešinimo jėgų ir momentų pagrindiniai vek­toriai.

Įvertinę, kad poslinkių, pasukimo kampų vektorių bei apibendrin­tųjų koordinačių variacijos nelygios nuliui, gauname:

F Frq

M Mp i in iT i

ji

N

p i in iT ig

, , , , + ( ) ∂ ∂

+ + ( ) ∂ ∂=

∑ 10

1

1ϕqq

Qji

N

jg

+ ==∑

10,

j n=1 2, ,..., . (3.62)

Lygtis (3.62) gali būti taikoma nustatant apibendrintąsias jėgas Qj .Lagranžo antrojo laipsnio lygtis apibendrintai koordinatei qk yra

lygi:

ddt

Eq

Eq q

Eq

Qk k

k k

p

kk

k

∂∂

−∂∂

+∂∂

+∂

∂=

Φ, (3.63)

čia Ek , Ep – TP kinetinė, potencinė energijos, atitinkamai; – TP di-sipatyvinė funkcija; Qk – apibendrinta jėga, veikianti TP kūną apiben-drintos koordinatės qk kryptimi.

Page 100: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

99

3.8.2. niutono ir oilerio lygčių sistema

Nagrinėsime kūno judėjimą bendroje koordinačių sistemo-je OXYZ . Tam tikrame kūno taške įvesime koordinačių sistemą O X Y Z1 1 1 1 , kuri judės kartu su kūnu. Bet kokio kūno taško P poslinkių vektorius OXYZ koordinačių sistemoje lygus:

R R R R A rp p p = + = + [ ] 01 1 01 1 , (3.64)

čia R01 – taško O1 koordinačių vektorius; R p1 – vektorius tarp taškų O1 ir P; r p1 – vektorius tarp taškų O1 ir P O X Y Z1 1 1 1 koordi-načių sistemoje; A[ ] – koordinačių transformacijos matrica (posūkio matrica) tarp OXYZ ir O X Y Z1 1 1 1 koordinačių sistemų.

Vektoriaus Rp variacija yra lygi:

δ δ δ δ δ ϕR R A r R A rp p p = + [ ] = + [ ] [ ] =01 1 01 1 1

= −[ ] δ δ ϕR A r p01 1 1 , (3.65)

arba matricine forma:

δ δϕ

δR E A rR

S xp p = [ ] −[ ]

= [ ] , 1

01

1, (3.66)

čia

S E A r p[ ] = [ ] −[ ]

, 1 ; x

R =

01

1ϕ; (3.67)

ϕ1 – kūno pasukimo apie O X Y Z1 1 1 1 ašis vektorius.

Taško P greičių ir pagreičių vektoriai lygūs:

R R A rp p = + [ ][ ] 01 1 1ω ; (3.68)

R R A r A rp p p = + [ ][ ] + [ ] 01 12

1 1 1ω ω , (3.69)

Page 101: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

100

arba sutrumpinta forma:

R E A r

Ra Sp p = [ ] −[ ]

+ = [ ], 1

01

11

ωx a1 1 + , (3.70)

čia

x RT T T1 01 1 =

, ω ; a A r p1 12

1 = [ ][ ] ω ; (3.71)

ω1[ ] – kampinio greičio vektoriaus ω1 antisimetrinė matrica.Pagal D’Alambero principą (3.53),

δ R R F dmpT

mp − ( ) =∫ 0 , (3.72)

čia F – kūną veikianti išorinė jėga, proporcinga kūno masei (tūrinė jėga).

Įstatę (3.66) ir (3.69) išraiškas į (3.72) ir įvertinę, kad variacijų vek-torius nelygus nuliui, t. y. δ x ≠ 0 , gauname:

E A r

A r r rd

p

pT

pT

pm

−[ ]

− [ ] ( )

1

1 1 1

mm x S a dm S F dmm

T

m

T1 1 0 + [ ] − [ ] =∫ ∫

(3.73)

Iš lygčių sistemos (3.73) gauname kūno slenkamojo ir sukamojo judesio judėjimo lygčių sistemas:

M R M F A S11 01 12 1 12

1[ ] − [ ] = + [ ] ω ω ;

M R M I f21 01 22 1 1 1 1[ ] + [ ] = −[ ][ ] − ω ω ω , (3.74)

čia

M E dmm

11[ ] = [ ]∫ ; M A r dmipm

12[ ] = [ ] ∫ ;

M M T21 12[ ] = [ ] ; M r dm Iip22 1[ ] = = [ ]∫ ;

f r A F dmipT T

1 = [ ] ∫ ; S r dmpm

1 1 = ∫ ;

Page 102: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

101

I1[ ] – kūno masių inercijos tenzorius kūno taško O1 atžvilgiu:

I

y z x y x z

y x x z y z

z x

p p p p p p

p p p p p p

p p

1

12

12

1 1 1 1

1 1 12

12

1 1

1 1

[ ] =+ − −

− + −

− −− +

=∫

z y x y

dm

p p p pm

1 1 12

12

=

I I I

I I I

I I I

x x x y x z

y x y y y z

z x z y z z

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

. (3.75)

Jeigu kūno koordinačių sistema O X Y Z1 1 1 1 įvesta kūno masių cen-tre, tada (3.74) lygčių sistema supaprastėja:

M R F11 01[ ] = ; (3.76)

M I f22 1 1 1 1 1[ ] = −[ ][ ] − ω ω ω .

Lygčių sistema (3.74) arba (3.76) vadinama Niutono ir Oilerio lyg-čių sistema.

3.8.3. Hamiltono principas

Mechaninės sistemos judėjimo lygtis galima užrašyti taikant Hamiltono principą, kurį patogu naudoti, jeigu žinoma mechaninės sistemos energija (kinetinė ir potencinė) ir nekonservatyviųjų jėgų darbas. Hamiltono principo matematinė išraiška yra:

δ δLdt Adtt

t

t

t+ =∫∫ 0

1

2

1

2

, (3.77)

čia δL – Lagranžo funkcijos variacija:

δ δ δL T= − Π ; (3.78)

δ δT , Π – sistemos kinetinės ir potencinės energijų variacijos; δA – nekonservatyviųjų jėgų darbo variacija:

Page 103: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

102

δ δA F qkT= ; (3.79)

Fk – nekonservatyviųjų jėgų vektorius; δ q – apibendrintųjų koordinačių vektorius.

Nekonservatyviosios jėgos – tai jėgos, kurių darbas priklauso ne tik nuo sistemos pradinės ir galutinės būsenos. Prie nekonservatyviųjų jėgų priklauso trinties jėgos ir išorinės jėgos, kurios kinta laike.

Kai kūną veikia klampiosios trinties jėgos, patogu naudotis Relėjaus disipatyvine funkcija:

D q C qT= [ ] 12 , (3.80)

čia C[ ] – slopinimo matrica.

Tada klampiųjų trinties jėgų vektorius lygus:

F Dqc = − ∂

∂ . (3.81)

Tarkime, nagrinėjamos sistemos kinetinė ir potencinė energijos yra lygios:

T q M qT= [ ] 12 , Π = [ ] 1

2q K qT , (3.82)

čia M K[ ] [ ], – sistemos masių ir standumo matricos; q q , – apibendrintųjų koordinačių ir greičių vektoriai.

Lagranžo funkcijos variacija lygi:

δ δ δLdt q Lq

q Lq

T T

t

t+ ∂

+ ∂

1

2

∫∫∫ ∫= ∂∂

+

t

t T

t

tdt q L

qdt

1

2

1

+ ∂∂

− ∂

∫δ δq L

qq d

dtLq

dtTtt T

t

t

12

1

2, (3.83)

čia

∂∂

=∂∂

−[ ] Lq

Tq

K q ;

ddt

Lq

ddt

M q M q∂∂

= [ ] ( ) = [ ]

.

Page 104: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

103

Tarkime, nekonservatyviųjų jėgų darbas yra lygus:

δ δA q F C qT= −[ ] ( ) . (3.84)

Įstatę gautas išraiškas į Hamiltono principo matematinę išraišką (3.77), gauname:

δ q Tq

K q M q F C q dt qT

t

t ∂

∂ −[ ] − [ ] + −[ ]

+ ∫

3

2 TT

t

tTq

∂∂

=

1

2

0 .

(3.85)Įvertinę tai, kad apibendrintųjų poslinkių variacija nelygi nuliui ir

(3.85) lygties konstanta lygi nuliui, gauname judėjimo lygčių sistemą:

M q C q K q F Tq

[ ] + [ ] + [ ] = + ∂∂

. (3.86)

3.8.4. dviejų kūnų sujungimo tampriuoju ir slopinimo elementais, standumo ir slopinimo matricos

Nagrinėsime dviejų kūnų judėjimą bendroje OXYZ koordinačių sistemoje. Pirmojo (i-tojo) kūno masių centro padėtis apibrėžiama vektoriumi Rci , o antrojo (j-ojo) kūno padėtis apibūdinama vekto-riumi Rcj .

Tamprusis elementas prijuntas prie i-tojo ir j-ojo kūnų taškuose Pi ir Pj, atitinkamai. Taško Pi padėtis i-tojo kūno koordinačių sistemoje C X Y Zi i i i apibrėžiama vektoriumi rpi , o taško Pj padėtis j-ojo kūno koordinačių sistemoje C X Y Zj j j j apibrėžiama vektoriumi rpj .

3.18 pav. Dviejų kūnų sujungimas tampriuoju ir slopinimo elementais

Page 105: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

104

Pradiniai kūnų pasukimo kampų vektoriai yra: ϕi0 , ϕ j0 , ati­tinkamai. Priimame, kad kūnų posūkio kampai yra maži, t. y. vektorų ϕi , ϕ j elementai yra maži kampai. Taškų Pi ir Pj koordinačių

vektoriai yra lygūs:

R R A r q A rpi ci i i pi ci i i pi = + ( ) + + ( ) =0 0ϕ ϕ

R q E r R rci ci i pi pi pi i0 0 + + [ ] + [ ]( ) = − = ϕ ϕ

R E rq

R B qpi pici

ipi i i0 0 + [ ] −

= + [ ],

ϕ (3.87)

R A r dV A A r dV A RcT

V

T T T

Vc [ ] [ ] [ ] + [ ] [ ] [ ] ∫ ∫ρ ρ

R q E r R q rcj cj j pj pj cj pj j0 0 + + [ ] + ( ) = + − = ϕ ϕ

R E rq

R B qpj pjcj

jpj j0 0 + [ ] −

= + ,

ϕjj , (3.88)

čia: R R A r rpi ci i i pi pi0 0 0 = + ( ) + ϕ ; (3.89)

R R A r rpj cj j j pj pj0 0 0 = + ( )

+ ϕ ; (3.90)

B E ri pi[ ] = [ ] −

, ; B E rj pj = [ ] −

, ; (3.91)

r

r

r

rpi

xpi

ypi

zpi

=

; r

r r

r r

r rpi

zpi ypi

zpi xpi

ypi xpi

=

0

0

0; (3.92)

r

r

r

rpj

xpj

ypj

zpj

=

; r

r r

r r

r rpj

zpj ypj

zpj xpj

ypj xpj

=

0

0

0. (3.93)

Page 106: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

105

qq

ici

i =

ϕ; q

qj

cj

j =

ϕ. (3.94)

Vektorius tarp taškų Pi ir Pj yra lygus:

R R B q R B qpji pj j j pi i i = + − −[ ] =0 0

R B q B qpji j j i i0 + − [ ] , (3.95)

R R Rpji pj pi0 0 0 = − . (3.96)

Atstumo tarp taškų Pi ir Pj pailgėjimas yra lygus:

∆LL

R B R Bq

qijij

pjiT

i pjiT

ji

j= − [ ]

1

00 0,

= D qij ij ,

(3.97)

čia: DL

R B R Bijij

pjiT

i pjiT

j = − [ ]

1

00 0, ; (3.98)

L R Rij pjiT

pji0 0 0= ; qq

qiji

j =

. (3.99)

Tampriojo elemento potencinė energija yra lygi:

E k L q D k D q q Kpij ij ij ijT

ijT

ij ij ij ijT

i= = = 12

12

12

2∆ jj ijq ,

(3.100)čia Kij – tampriojo elemento standumo matrica.

KE

q qD k Dij

pij

ij ijijT

ij ij =∂

∂ ∂ =

2. (3.101)

Atstumo tarp taškų Pi ir Pj pailgėjimo greitis yra lygus:

Page 107: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

106

d Ldt

L D qijij ij ij

∆∆= =

. (3.102)

Slopinimo elemento disipatyvinė funkcija yra lygi:

Φ ∆ij ij ij ijT

ijTij ij ij ijc L q D c D q q= = = 1

212

12

2

TTij ijC q ,

(3.103)čia: Cij – slopinimo matrica.

Cq q

D c Dijij

ij ijijTij ij =

∂ ∂ =

. (3.104)

Nagrinėjant kūnų judėjimą plokštumoje, matrica Bi[ ] ir vektorius

qi yra lygūs:

Judėjimas plokštumoje XY:

Br

rE ri

ypi

xpipi[ ] =

− −

[ ] −

1 00 1

, , ; qqqi

xci

yci

zi

=

ϕ

. (3.105)

Judėjimas ploštumoje XZ:

Br

rE ri

zpi

xpipi[ ] =

[ ] −

1 00 1

, , ; qqqi

xci

zci

yi

=

ϕ

. (3.106)

Judėjimas ploštumoje YZ:

Br

rE ri

zpi

ypipi[ ] =

− −

[ ] −

1 00 1

, , ; q

q

qi

yci

zci

xi

=

ϕ

. (3.107)

Page 108: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

107

4. sausuMos TransPorTo keLių cHarakTerisTikos. koMforTaBiLuMas

4.1. automobilių kelių nelygumai, jų charakteriskos

Automobilių kelių danga susideda iš kelių asfaltbetonio sluoks­nių (viršutinis, apatinis ir pagrindo sluoksniai), pagrindo sluoksnio ir žemės sankasos.

Asfaltbetonis – mišinys, gaminamas iš mineralinių medžiagų ir bitumo. Kiekvienas mišinio komponentas turi skirtingas fizines mechanines savybes, kurios kinta nuo temperatūros, laiko ir slėgio. Eksploatacijos metu kelio danga veikiama transporto priemonių ap­krovomo bei klimatinių faktorių.

Pagal šiuos poveikius galima skirti tris dangų defektų bei irimo rūšis:

1) šlities įtempimų atsiradimas veikiant apkrovai;2) tempimo įtempimų atsiradimas esant temperatūrų skirtumams;3) dangos irimas veikiant transporto priemonių apkrovoms kartu

su kintamomis klimatinėmis sąlygomis.Šlities įtempimai atsiranda esant aukštai aplinkos temperatūrai.

Kelio dangos paviršius įšila ir gali atsirasti pavojingi šlities įtempimai, dėl kurių atsiranda šlities deformacijos. Dėl šlities deformacijų dangos paviršiuje gali atsirasti plyšiai ir bangos. Kelio dangoje išilginės ir skersinės bangos atsiranda esant dideliam transporto priemonių judė­jimui nedideliais greičiais.

Tempimo įtempimai atsiranda esant žemai aplinkos temperatūrai. Dėl šios priežasties dangoje gali atsirasti mikroplyšių, kurie eksploa­tacijos metu gali išvirsti į plyšius. Mikroplyšių, esant žemai aplinkos temperatūrai, atsiranda naudojant transporto priemonių ratus su dy­gliais. Žemoje temperatūroje asfaltbetonio danga daug trapesnė (ma­žėja bitumo klampis) negu normalioje temperatūroje (20 °C).

Transporto priemonės padangoje esančio dyglio kontaktinis slė­gis į dangos paviršių siekia daugiau kaip 30,0 MPa. Tokio didumo normaliniai ir tangentiniai slėgiai į dangos paviršių sudaro galimybių

Page 109: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

108

kelio dangoje atsirasti nematomiems mikroplyšiams. Patekus vande­niui į tokius mikroplyšius ir po to jam užšalus, dėl didelio ledo tūrinio plėtimosi koeficiento β≈152,1·10­6 1/°C vyksta mikroplyšių didėjimo procesas.

Asfaltbetonio dangos irimas pasireiškia tiek jos paviršiuje, tiek jos viduje. Veikiant kintamoms apkrovoms, dangos paviršiuje esan­čios smulkios dalelės atitrūksta nuo masyvo. Taip laipsniškai mažėja dangos storis. Veikiant drėgmei, šalčiui, kintamoms apkrovoms, dan­gos viduje vyksta mineralinių medžiagų irimas. Vykstant tokiam pro­cesui dyla ir yra kelio danga.

Pagal kelio dangos liekamąsias deformacijas galima suskirstyti jos defektus:

– šlitis pagal visą dangos storį esant lygiam dangos paviršiui (atsiranda dėl dangos medžiagos nuovargio, keičiasi medžiagos struktūra);

– viršutinio dangos sluoksnio šlitis esant lygiam dangos paviršiui (iš apatinių dangos sluoksnių išspausto bitumo susikaupimas viršutiniame sluoksnyje);

– tam tikro dėsningumo skersinės bangos (bangos ilgis ne di­desnis kaip 0,70 m; defektas atsiranda stabdymo ruožuose dėl nepakankamo stiprumo šličiai, didelių tangentinių apkrovų ir paviršiaus įšilimo);

– vienetiniai nelygumai (dėl jų atsiranda paviršiaus bangos);– vėžės paviršiuje (atsiranda veikiant didelėms transporto apkro­

voms).Panagrinėsime kelio dangoje bangų ir vėžių susidarymo proce­

są. Riedant transporto priemonės (TP) ratui kelio dangos paviršiumi, rato padangos kontakto su paviršiumi vietoje atsiranda normalinis pn ir tangentinis pt slėgiai (4.1 pav.). Šių slėgių pasiskirstymas kontakto plote priklauso nuo oro slėgio padangoje, nuo rato funkcijos (varanty­sis ar varomasis ratas), ar ratas stabdomas.

Page 110: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

109

a) b)

c) d)

e) f)4.1 pav. Transporto priemonės rato padangos deformacijos schemos

ir slėgiai, veikiantys kontakto metu:a – normalinis slėgis, kai padangoje mažas slėgis; b – normalinis slėgis

į kelio dangą, kai padangoje nominalus slėgis; c – varančiojo rato padangos normalinis slėgis; d – varančiojo rato tangentinis slėgis; e – varomojo rato

kontakto plotas; f – varančiojo rato kontakto plotas.

Veikiant normaliniam ir tangentiniam slėgiui, kelio danga defor­muojasi. Periodiškai apkraunant kelio dangą tokiais slėgiais, joje at­siranda liekamieji tangentiniai ir normaliniai įtempimai. Dėl šių įtem­pimų kelio dangoje atsiranda liekamosios tangentinės ir normalinės deformacijos. Veikiant tangentiniams įtempimams kelio dangos me­džiaga pasislenka transporto priemonės judėjimo kryptimi ir susidaro skersinės bangos (4.2 a pav.).

Rato su kelio danga kontakto plote veikia normalinis slėgis, dėl kurio dangoje susidaro tangentiniai įtempimai, kurie išstumia kelio dangos medžiagą statmena judėjimo kryptimi (4.2 b pav.).

Page 111: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

110

Ratas užvažiuoja ant susidariusios kelio dangos paviršiuje ban­gos, ją deformuoja ir ji išnyksta. Kiekvienai TP pravažiavus kelio dangos paviršiuje, statmenai judėjimo kryptimi, atsiranda liekamosios deformacijos. TP pravažiuojant tuo pačiu kelio dangos paviršiumi, mažėja dangos sluoksnis ir susidaro liekamosios deformacijos vėžių pavidalu (4.2 b pav.). Vadinasi, nuo TP rato normalinio slėgio į kelio dangos paviršių gali susidaryti vėžės.

Veikiant dideliam normaliniam slėgiui ir stabdant ratą, rato ir kelio dangos paviršiaus kontakto plote atsiranda dideli tangentiniai slėgiai. Dėl jų veikimo gali atsirasti šlitis tarp dangos sluoksnių (4.2 c pav.).

a) b) c)4.2 pav. Kelio dangos šlitis veikiant TP rato normaliniams pn

ir tangentiniams pτ slėgiams: a – rato stabdymas; b – provėžų susidarymas; c – dangos sluoksnių šlitis

Vasaros laikotarpio maksimalios ir minimalios kelio dangos tem­peratūros parodytos 4.3 pav.

4.3 pav. Minimalios ir maksimalios asfaltbetonio dangos temperatūros

Page 112: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

111

Automobilių kelio paviršius, kad ir labai gero kelio, nėra idealiai lygus. Laikui bėgant kelias dėvisi, kelio nelygumai didėja. Kelio pa­viršiaus nusidėvėjimas ir irimas priklauso nuo kelio paviršiaus būklės ir kokybės, temperatūros pokyčių, kelio sankasos kokybės ir transpor­to srautų poveikio kelio paviršiui. Visi šie faktoriai veikia nevieno­dai, skirtingais laiko momentais, todėl automobilių kelių paviršiaus nelygumai turi stochastinį (atsitiktinį) pobūdį. Kelio paviršiaus nely­gumus, stochastinius dydžius galima aprašyti tokiais parametrais: vi­dutiniu kvadratiniu dydžiu; tikimybės tankio funkcija; autokoreliacine funkcija; spektriniu tankiu.

Automobilių kelių klasifikacija pagal kategorijas ir reikšmes pa­teikta 4.1 lentelėje.

4.1 lentelė. Automobilių kelių klasifikacija pagal kategorijas ir reikšmes (http://e-stud.vgtu.lt/files/dest/2642/skersiniai%20profiliai.pdf)

Kelio paviršiaus nelygumus galima aprašyti funkcija (4.4 pav.):

z z x y= ( ), ,

Page 113: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

112

t. y. funkcija dviejų nepriklausomų kintamųjų: x – ilgis, y – plotis. Bendruoju atveju funkcija z(x,y) – nestacionari, t. y. kelio nelygumai keičiasi kelio eksploatacijos metu. Nagrinėjant kelio paviršių pagal kelio tipą (asfaltuotas kelias, betoninis kelias, grindinys, žvirkelis ir kt.), galima neįvertinti kelio nelygumų kitimo laike (kelio nelygumai kinta lėtai). Tuomet kelio nelygumų funkciją z(x,y) galima apytiks­liai nagrinėti kaip stacionarią, stochastinę, pagal normalinį skirstinį pasiskirčiusią, ergodinę su nuline vidutine reikšme funkciją. Tokią funkciją visiškai apibrėžia dvimatė koreliacinė funkcija:

Rxy

z x y z x y dxdyxy

y

y

x

xξ η ξ η, lim , ( , )( ) = ( ) + +

→∞→∞

−−∫∫

14

.

4.4 pav. Automobilių kelio nelygumų funkcija z(x, y)

Išmatuoti kelio nelygumus dviejų koordinačių (x, y) kryptimis yra sunku ir paskaičiuoti dviejų kintamųjų koreliacinę funkciją yra imlus procesas. Todėl šią problemą galima suspaprastinti. Kadangi mus domina kelio charakteristikos išilgine ir skersine kryptimis, ku­rios sukelia TP ratų, kėbulo ir keleivių svyravimus, todėl galima nu­statyti tik tas kelio stochastines charakteristikas, kurios sukelia TP virpesius. Darant tokias prielaidas, kelio nelygumus galima nagrinėti

Page 114: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

113

dviem stochastinėmis funkcijomis: z(x) – nelygumų aukštis kelio iš­ilgine kryptimi ir kelio skerspjūvio pasvirimo kampas ψ x( ) . TP judė­jimas keliu bus charakterizuojamas tokiais dydžiais:

z(x) 12

= ( ) + ( )( )z x z xk d ; ψ(x) 1b

= ( ) + ( )( )z x z xk d , (4.1)

čia z x z xk d( ) ( ), – kelio profilis po kairiuoju ir dešiniuoju TP ratais, atitinkamai; b – atstumas tarp TP ratų.

Statistiškai aprašyti kelio nelygumus reikia žinoti dvi koreliacines funkcijas:

R lLz x z x l dlz

L

L( ) = ( ) +( )

→∞∫lim

1

0;

R lL

x x l dlL

L

ψ ψ ψ( ) = ( ) +( )→∞

∫lim

1

0 (4.2)

arba du spektrinius tankius:

S R x x dxz zΩ Ω( ) = ( )∞

∫2

0πcos( ) ;

S R x x dxψ ψπΩ Ω( ) = ( )

∫2

0cos( ) , (4.3)

Ω =2πLh

– kelio nelygumų dažnis (ciklas / m), Ω =2πLh

, Lh – kelio bangos harmoninė dedamoji, L – kelio ilgis.

Šios charakteristikos ( Rz τ( ) , Rψ τ( ) arba Sz Ω( ) , Sψ Ω( ) ) visiš­kai apibrėžia kelio statistines charakteristikas.

Dažnai naudojama normuota ir tarpusavio normuota koreliacinės funkcijos:

rRR

RDz

z

z

z

τ τ( ) = ( )( )

=( )

0; r

RR

RDψ

ψ

ψ

ψ

ψτ

τ τ( ) = ( )

( )=

( )0

, (4.4)

rR

R R

RD Dz

z

z

z

ψ

ψ

ψ

ψ

ττ τ

( ) = ( )( ) ( )

=( )

0 0.

Koreliacinės funkcijos (4.2) ir spektriniai tankiai (4.3) yra kelio profilio charakteristikos, kurios sukelia TP virpesius. Aprašant kelio

Page 115: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

114

nelygumų poveikį TP judėjimui įvairiu greičiu, būtina kelio profilio stochastines charakteristikas, kurios priklauso nuo išilginės koordina­tės, pereiti prie laiko funkcijų. Koreliacinei funkcijai x ir l pakeičiami tokiais dydžiais:

x vt= , l v= τ , (4.5)

čia v – TP judėjimo greitis; t – laikas; τ – laiko argumentas.Tada korelicinės funkcijos (4.2) bus lygios:

RLz vt z vt dz

L

Lτ τ τ( ) = ( ) +( )

→∞∫lim

1

0;

RL

vt vt dL

L

ψ τ ψ ψ τ τ( ) = ( ) +( )→∞

∫lim

1

0. (4.6)

Ryšis erdvinių koordinačių ir laiko yra:

f vl

v= = λ ; ω π π= = =2 2vl

f vΩ ,

čiaλ =1l

– kelio nelygumų dažnis, 1/m.

Tegu duota kelio profilio spektrinis tankis:

S AzNλ λ( ) = − ,

tada šį spektrinį tankį užrašysime kaip laiko funkciją:

S f cfzN( ) = −1 ; S Dz

Nω ω( ) = − ,

čia C AvN= −1 ; D AvN N= ( )− −1 12π .

Automobilių kelių nelygumus (kelio paviršiaus kokybę) galima įvertinti pagal nelygumų spektrinį tankį:

SL

z x e dxzx

L i xΩ

Ω( ) = ( )

→∞

−∫lim

2 2

0

, (4.7)

Page 116: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

115

čia Sz Ω( ) – kelio profilio spektrinis tankis, (m ciklas3 / ) ; Ω =2πLh

– kelio nelygumų dažnis, ( ciklas m/ ); L – kelio ilgis, m; z x( ) – kelio nely­gumų aukštis, m.

Automobilių kelių nelygumus galima įvertinti pagal kelio profilio spektrinį tankį Sz Ω( ) (ISO standartas1982). 4.2 lentelėje pateikta au­tomobilių kelių kokybė įvertinant nelygumų spektrinį tankį.

4.2 lentelė. Automobilių kelių nelygumų spektrinis tankis pagal ISO

Automobilių kelių nelygumų spektrinis tankis Sz Ω( )× −10 6

Kelio būklė Intervalas Geometrinis vidurkisA (labai geras) <8 4

B (geras) 8–32 16C (vidutinis) 32–128 64D (prastas) 128–512 256

E (labai prastas) 512–2048 1024F 2048–8192 4096G 8192–32 768 16 384H 32 768<

Kai kurių automobilių kelių statistinės charakteristikos pateiktos 4.3 lentelėje.

4.3 lentelė. Automobilių kelių statistinės charakteristikos

Keliai

Tirto kelio ruožo ilgis,

m

Vidutinis nelygu­

mų aukš­tis, cm

Normuota koreliacinė funkcija

Geros ko­kybės as­

faltbetonio danga

10 000 0,8–1,26 r l e e ll l1

0 2 0 150 85 0 15 0 6( ) , , cos( , ), ,= +− −

Cementbe-tonis 900 0,5–1,24 r l e l

20 15( ) ,= −

Page 117: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

116

Grindinys9003200

2,5–3,281,35–2,29

r l e l3

0 45( ) ,= −

Gruntinis kelias 500 6,34 r l e e ll l

40 08 0 150 6 0 4 0 125( ) , , cos( , ), ,= +− −

Periodiškai greiderio lyginamas

kelias

350200

5,67,4

r l e l5

0 16( ) ,= −

r l e e ll l6

0 12 0 020 65 0 35 0 18( ) , , cos( , ), ,= +− −

Skreperio lygintas kelias

350200

4,155,2 r l e l

70 11( ) ,= −

Blogos kokybės gruntinis

kelias

200 8,7 r l e e ll l8

0 17 0 050 65 0 35 0 15( ) , , cos( , ), ,= +− −

Nepage-rintas kai­mo kelias

80–120 15–25 r l e ll

9 ( ) cos( )= −α βα = ÷0 014 0 11, , ; β = ÷0 025 0 14, ,

Kitas parametras, kuris įvertina kelio nekygumus, yra IRI indeksas (International Roughness Index) (ASTM). IRI indeksas matuojamas ilgio vienetais: mm/m, m/km. Jis gerai koreliuoja su TP keleivių pagrei­čiais (komforto kriterijus) ir rato padangos apkrovimu (TP valdymas). Įvairių šalių automobilių keliai turi skirtingus paramaterus, tačiau, pa­naudojant IRI indeksus, įvairių šalių tyrėjai gali tarpusavyje lyginti au­tomobilių kelių kokybę. IRI – universalus, labai paplitęs parametras, charakterizuojantis kelio būklę ir TP judėjimo charakteristikas.

Norint išmatuoti IRI indeksą, nagrinėjamas ketvirtis TP dina­minis modelis (dar vadinamas „auksiniu automobiliu“ „golden car“ (4.5 pav.), kurio parametrai parodyti 4.3 lentelėje. „Auksinio automo­bilio“ dinaminį modelį sudaro: m1 – automobilio rato ir ašies masė, kg; m2 – ketvirčio automobilio kėbulo masė, kg; k1– padangos standumo koeficientas, N/m; k2 – pakabos standumo koeficientas, N/m; – paka­bos slopinimo koeficientas. Matuojamu keliu TP važiuoja 80 km/val. greičiu ir matuojami masės m1 ir masės m2 pagreičiai, kelio paviršiaus

4.3 lentelės pabaiga

Page 118: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

117

išilginė koordinatė, važiavimo greitis. Skaičiuojant IRI indeksą pa­dangos ir kelio kontakto ilgis yra lygus Lk=0,250 m .

Matematiškai IRI indeksas skaičiuojamas taip:

IRIL

q q dtL v

= −∫1

2 10

/, (4.8)

čia IRI indeksas, matuojams m/km; q q1 2, – pirmos ir antros masės greičiai; v – judėjimo greitis, v=80 km/val.; L – matuojamo kelio ilgis, km.

4.5 pav. Ketvirčio automobilio („auksinio automobilio“) dinaminis modelis

4.4 lentelė. Ketvirčio automobilio („auksinio automobilio“) parametrai

Parametrai Reikšmė Vienetas

k m b2 2 2/ = 63,3 1 2/ s

k m b1 2 1/ = 653,0 1 2/ s

c m b2 2 3/ = 6,0 1/ s

m m1 2/ = µ 0,15 –

c1 0 kg s/

„Auksinio automobilio“ judėjimo lygčių sistema yra:

Page 119: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

118

mm

qq

c c cc c

qq

1

2

1

2

1 2 2

2 2

1

2

00

+

+ −−

++

k k kk k

qq

k z1 2 2

2 2

1

2

1

0+ −−

=

(4.9a)

arba

qq b b

qq

b b b

b b

1

2 3 3

1

2

1 2 2

2 2

0 0

+−

+

+−

µ µ

=

qq

b z1

2

1

0µ . (4.9b)

Matuojamas kelio nelygumų aukštis z x( ) yra filtruojamas. Kai išmatuotas kelio nelygumų aukštis yra diskretinis, t. y. aukštis z xi i( )matuotas tam tikruose kelio taškuose xi , tai sulygintas kelio profilio aukštis yra lygus:

z xNK

z xi jj i

i NK( ) ( )=

=

+ −∑

1 1, (4.10)

čia NK – taškų skaičius, kuriuose skaičiuojama nelygumų aukščio vidutinė reikšmė.

Apytikslės IRI indekso reikšmės priklausomai nuo kelio tipo pa­teiktos 4.5 lentelėje.

4.5 lentelė. IRI indekso reikšmė

Kelio tipasIRI indekso ribos,

mm/mVažiavimo greičio ribos,

km/valOro uosto kelio danga 0–2 >100Nauja kelio danga 1–3 90–110Sena kelio danga 2–6 80–100Neasfaltuotas kelias 3–10 60–90Prastos kokybė asfaltuotas kelias 4–11 55–90

Nelygus neasfaltuotas kelias 8–20 30–70

Page 120: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

119

4.2. automobilio kelių nelygumų generavimo būdai

Nagrinėjant stochastines dinamines sistemas, kurios bendru atve­ju yra netiesinės, veikiant stochastiniams sužadinimams reikia mokėti generuoti stochastinius signalus (poveikius į dinaminę sistemą), kai yra žinomos statistinės charakteristikos. Tam tikslui galima panaudoti algoritmus, kurie remiasi nepriklausomų skaičių sekos ξ n[ ] tiesine transformacija, kai sekos skaičiai dažniausiai pasiskirsto pagal norma­linį arba tolydinį skirstinį (diskretinis baltas triukšmas), į seką f n[ ] koreliuojantį pagal dėsnį:

R n M f k f k n R nhff ff[ ] = [ ] =[ ] = ( ) , n = 0 1 2, , ,..., (4.11)

čia h – nepriklausomo kintamojo t diskretizacijos žingsnis. Toliau norint gauti reikiamą f n[ ] dėsnį naudojama neinercinė

netiesinė transformacija. Labiausiai paplitusioms koreliacinėms funk­cijoms sudaryti efektyvūs diskretinio modeliavimo algoritmai, kurie turi tokį pavidalą:

f n a n a n a n ll[ ] = [ ] + −[ ] + + −[ ] −0 1 1ξ ξ ξ...

b f n b f n b f n mm1 21 2−[ ] − −[ ] − − −[ ] =... (4.12)

a n k b f n kkk

lk

k

mξ −[ ] − −[ ]

= =∑ ∑

0 1

.

Nagrinėjant transporto priemonių (TP) dinamiką reikia vertinti sudėtingą rato ir paviršiaus sąveiką (4.6 pav.): padanga arba vikšrinė važiuoklė sulygina pradinį stochastinį kelio paviršių, kuris, veikiamas jėgų, veikiančių kontakte, deformuojasi. Mažai deformuojantiems gruntams galima vertinti tik padangos ar vikšrinės važiuoklės lygi­namąsias savybes.

Padangos lyginamųjų savybių efektas pasireiškia tuo, kad aukšto dažnio paviršiaus dedamosios (harmonikos) nevertinamos.

Kelio paviršiaus mikroprofilio aukštis po padanga lygus:

z xL

z dk x

x( ) = ( )∫

1ξ ξ

min

max, (4.13)

Page 121: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

120

čia Lk – kontakto ilgis; x x Lkmin = −

2; x x Lk

max = +2

.

L

4.6 pav. Padangos sąveika su kelio paviršiumi

Kai TP juda v greičiu, įvertinę, kad txv

= , išraišką (11) galime užrašyti:

z tL

z t dtk t

t( ) = ( )∫

1

min

max, (4.14)

čia t t Lvk

min = −2

; t t Lvk

max = +2

.

Padangos lyginamosios savybės gali nuslopinti aukšto dažnio ke­lio profilio virpesius iki tam tikro ribinio dažnio:

ωπ π π

ribk kT L v

vL

= = =2 2 2

. (4.15)

Iš (4.15) išraiškos matome, kad ribinis dažnis tiesiog proporcin­gas judėjimo greičiui ir atvirkščiai proporcingas kontakto ilgiui. Kai Lk → 0 (kontaktas – taškas), ribinis dažnis ω→∞ , t. y. padanga pra­leidžia visus stochastinio proceso q t( ) dažnius. Didėjant kontakto il­giui Lk , ribinis dažnis mažėja, t. y. stochastinio proceso Sq ω( ) vis didesnė aukšto dažnio dalis yra slopinama.

Page 122: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

121

Kelio paviršiaus mikroprofilio aukštis po padanga diskretiniu atveju yra lygus:

z nnl

z ll n k

n k( ) = ( )

= −

+∑

1 , n k k N k= + + −1 2, ,..., , (4.16)

čia k nl=12

; nl – taškų skaičius kontakte ( L nl hk = * , h – diskreti­zacijos žingsnis).

Padanaga nėra tokia elastinga, kad užpildytų kiekvieną kelio profilio įdubimą. Todel kelio nelygumų aukštis apskaičiuotas pagal (4.1.12) formulę yra apytikslis. Žinodami kelio nelygumų statistines charakteristikas (autokoreliacinė funkcija, spektrinis tankis) galime sužinoti, kaip šios charakteristikos pasikeis įvertinus padangos savybę lyginti kelio nelygumus.

Išdiferncijuosime (4.1.12) išraišką pagal išilginę koordinatę:

ddlz l z l

Lz l L z l L

p pk

k k( ) = ′ ( ) = +

− −

12 2

.

(4.17)

Autokoreliacinė funkcija šios verikalių nelygumų išvestinės yra lygi:

R lLL

z l L z l L z l Lz p L k

k k k′

→∞( ) = +

− −

+ +∆ lim 1

2 2 22 ∆∆ ∆l z l L dlkL

− − +

∫ 20

,

(4.18)

čia L – kelio ilgis.

Suintegravę kiekvieną narį atskirai, gauname:

R lLL

z l L z l L l dl

z l

z p L k

k

a

Lk

′→∞

( ) = +

+ +

−∫∆ ∆lim 1

2 22

−−

+ +

− +

− +

∫ ∫L z l L l dl z l L z l L lk

Lk k

Lk

2 2 2 20 0∆ ∆

+

+ −

− +

dl

z l L z l L l dlkL

k2 20

∆ . (4.19)

Page 123: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

122

Nagrinėjant stacionarę stochastinę funkciją, perkeliant koordina­čių pradžią, pati autokoreliacinė funkcija nesikeičia. Todėl išraiškos (4.19) pirmas ir ketvirtas integralai yra kelio profilio autokoreliacinės funkcijos:

lim limL

kL

kL

kLz l L z l L l dl

Lz l L

→∞ →∞+

+ +

+ −

12 2

120

∆ − +

=

( ) +( ) = ( )

∫→∞

0

0

2

2 1 2

Lk

L

L

z

z l L l dl

Lz l z l l dl R

∆ ∆lim .

(4.20)

Išraiškoje (4.19) antrą ir trečią narius galima supaprastinti:

lim

lim

Lk

Lk

Lk

Lz l L z l L l dl

Lz l L

→∞

→∞

+ +

=

= −

∫1

2 2

12

0∆

+ +( )

= +( )∫0 2

Lk

k q kz l L L l dl R l L∆ ∆

(4.21)

limL

Lk k

z kLz l L z l L l dl R l L

→∞∫ +

− +

= −( )1

2 20∆ ∆ . (4.22)

Įstatę visus rezultatus (4.20), (4.21), (4.22) į (4.19), gausime pa­dangos sulygintų kelio vertikalių nelygumų išvestinės autokoreliacinę funkciją:

R lR l R l L R l L

Lzz z k z k

kp′ ( ) = ( ) − +( ) − −( )∆

∆ ∆ ∆22

. (4.23)

Norėdami nustatyti padangos sulygintų kelio vertikalių nelygu­mų išvestinės spektrinį tankį, pasinaudosime pagrindine priklausomy­be tarp spektrinio tankio ir autokoreliacinės funkcijos:

S L R l l d lz k zp p′ ′

∞( ) = ( ) ( ) ( )∫λ λ, cos2

0∆ ∆ ∆ , (4.24)

čia λ – bangos dažnis.Kai kelio profilio nelygumai registruojami kaip laiko funkcija

z t( ) , spektrinis tankis priklauso nuo bangos kampinių dažnių ω .

Page 124: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

123

Ryšis tarp bagos dažnio ir dažnio f, yra f va= λ , va – TP judėjimo greitis.

Įstatę (4.24) išraišką į (4.19), gauname:

S LL

R l l d l R l L l dzp kk

z z k' , cos cosλ λ λ( ) = ( ) ( ) − +( ) ( )

∞ ∞

∫ ∫2 22

0 0∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆∆

∆ ∆ ∆

l

R l L ld lz k

−( ) ( ) ∞

∫0

cos .λ (4.25)

Paskutinis narys (4.25) išraiškoje yra nesulyginto kelio nelygu­mų spektrinis tankis, t. y.

20R l l d l Sz z

∫ ( ) ( ) ( ) = ( )∆ ∆ ∆cos λ λ . (4.26)

Įvedus pagalbinį pakeitimą

∆ ∆l l Lk1 = +

antras narys (4.26) išraiškoje yra lygus:

J R l L l d l R l l L d lz k z k20 0

1 1 1= +( ) ( ) = ( ) −( ) =∞ ∞

∫ ∫∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆cos cos (λ λ

R l l L L d lz k k0

1 1 1

∫ ( ) −( ) ( ) +∆ ∆ ∆cos ( cosλ λ

R l l L d lz k0

1 1 1

∫ ( ) ( ) +∆ ∆ ∆cos )cos(λ λ

R l l L d lz k0

1 1 1

∫ ( ) ( ) ( )∆ ∆ ∆sin sinλ λ . (4.27)

Įvertinus (4.24) išraišką, galutinė (4.27) išraiškos forma:

J S L R l l l d lz k z

Lk2

01 1 1 1

12

= ( ) − ( ) ( ) −∫λ λ λ λcos( ) cos cos( )∆ ∆ ∆ ∆

R l l L d l R l l Lz k z k0

1 1 10

1 1

∞ ∞

∫ ∫( ) ( ) + ( ) ( ) (∆ ∆ ∆ ∆ ∆sin )sin( sin sinλ λ λ λ ))d l∆ 1 .

Page 125: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

124

Išraiškoje (4.26) trečiasis narys, pakeitus Lk a į −Lk , yra lygus:

J S L R l l L d lz k z

L

kk

30

12

= ( ) − ( ) ( ) +−

∫λ λ λ λcos( ) cos cos( )∆ ∆ ∆

R l l L d l R l l L dz

L

k z kk

0 0

− ∞

∫ ∫( ) ( ) − ( ) ( ) ( )∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆sin )sin( sin sinλ λ λ λ ll .

Sudėję J2 ir J3 integralus, gausime:

J J S Lz k2 3+ = ( )λ λcos( ) . (4.28)

Įstatę (4.27) ir (4.28) išraiškas į (4.26), gausime:

S LLS Lzp k

kz k

' , cos( )λ λ λ( ) = ( ) −( )2 12 . (4.29)

Žinoma, kad stacionarinė stochastinė funkcija su normaliniu skirstiniu, o tokia funkcija yra kelio mikroprofilio nelygumai, funkcijos ir jos išvestinės spektriniai tankia skiriasi tik daugikliu, kuris lygus dažnio kvadratui λ2 , t. y.

, (4.30)

S LL

S Lz p kk

z kλλ

λ λ, cos( )( ) = ( ) −( )2 12 2 .

Kai Lk → 0 , tada

lim ,L z k zS L S

p→∞( ) = ( )λ λ .

Iš (4.30) išraiškos plaukia, kad padangos sulyginto kelio profilio nelygumų spektrinis tankis nepriklauso nuo TP važiavimo greičio.

Spektrinį tankį galima išreikšti per apskritiminį dažnį f, ( / )1 s arba kampinį dažnį ω ,

f va= λ ir ω πλ= 2 va , (4.31)

tada

Page 126: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

125

S f L vL f

S f fvLz k

a

kz

ak, cos( )( ) = ( ) −

2 12

2 2 ; (4.32)

S L vL

SvLz k

a

kz

akω

π

ωω

ωπ

, cos( )( ) = ( ) −

8 12

2 2

2 2. (4.33)

Padangos ir kelio kontakto ploto ilgį Lk apytiksliai galima nustatyti:

L aH D aHk = −( )2 , (4.34)

čia a – parametras, kinta intervale, a = 0 1 0 11, ... , ; D – padangos išorinis skersmuo; H – padangos profilio aukštis.

Diskretinio modeliavimo algoritmai naudojant skirtingas autoko­reliacines funkcijas parodyti 4.6 lentelėje.

4.6 lentelė. Autokoreliacinės funkcijos R S e dff ffiτ

πω ωωτ( ) = ( )

−∞

∫1

2

Eilės Nr.

Autokoreliacinė funk­cija R τ( ) Modeliavimo algoritmas

1 De−α τ

Rekurentinė išraiška:

f n a n b f n[ ] = [ ] + −[ ]0 1 1ξ

čia a021= −σ ρ ; b1 = ρ ; ρ γ= −e ;

γ α= h ; σ = D .h – diskretizacijos žingsnis nepriklausomo

kintamojo t

Page 127: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

126

2De− ( )α τ βτcos

Rekurentinė išraiška:

f n a n b f n[ ] = [ ] + −[ ]0 1 1ξ

čia a c c c c0 1 1 024 2= = ± −( )σ σ / ;

a c c1 0= σ / ; b1 02= ( )ρ γcos ;

b22= −ρ ; c0

201= −( ) ( )ρ ρ γcos ;

ρ γ= −e ; c141= −ρ ; γ α= h ;

λ β0 = h ; σ = D .

h – diskretizacijos žingsnis nepriklausomo

kintamojo t

3

De− ( ) +(α τ βτcos

αβ

β τsin ( )

Rekurentinė išraiška:

f n a n b f n[ ] = [ ] + −[ ]0 1 1ξ

čia a c c c c0 1 1 024 2= = ± −( )σ σ / ;

a c c1 0= σ / ; b1 02= ( )ρ γcos ;

b22= −ρ ;

c02

01= −( ) ( ) +ρ ρ γcosαβ

ρ ρ γ1 20+( ) [ ]sin ;

c141= − +ρ 4 2

0 0ραβ

γ γsin cos( ) ( ) ;

ρ γ= −e ; γ α= h ; λ β0 = h ;

σ = D .

h – diskretizacijos žingsnis nepriklausomo

kintamojo t

4.6 lentelės tęsinys

Page 128: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

127

4

De− ( ) −(α τ βτcos

αβ

β τsin ( )

Rekurentinė išraiška:

f n a n a n

b f n b f n[ ] = [ ] + −[ ] +

−[ ] + −[ ]0 1

1 2

1

1 2

ξ ξ

čia a c c c c0 1 1 024 2= = ± −( )σ σ / ;

a c c1 0= σ / ; b1 02= ( )ρ γcos ;

b22= −ρ ;

c02

01= −( ) ( ) −ρ ρ γcos

αβ

ρ ρ γ1 20+( ) ( )sin ;

c141= − +ρ 4 2

0 0ραβ

γ γsin cos( ) ( ) ;

ρ γ= −e ; γ α= h ; λ β0 = h ;

σ = D .

h – diskretizacijos žingsnis nepriklausomo

kintamojo t

5 Dsin ατατ( )

Rekurentinė išraiška:

f n c n kkk

p[ ] = −[ ]

=∑ ξ

0,

čia c ekk= ≤−σ γ

πγγ2 1

242 2 2

, ;

γ α= h ; σ = D .

h – diskretizacijos žingsnis nepriklausomo

kintamojo t

4.6 lentelės tęsinys

Page 129: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

128

6D kai

kai

1 1

0 1

−( ) ≤

>

α τ τα

τα

,

Rekurentinė išraiška:

f n c n kk

p[ ] = −[ ]

=∑0

0ξ ,

čia cNe k

02 2 2

= −σ γ ;

N =

+

1 1γ

; γ α= h ; σ = D .

h – diskretizacijos žingsnis nepriklausomo kintamojo

1 pavyzdys. Nagrinėjamas betonis kelias, kurio nelygumų aukštis aprašomas autokoreliacine finkcija:

R e ez τ σ σ βτα τ α τ( ) = + ( )− −12

221 2 cos ,

kai: σ1310 10= ⋅ − m ; σ2

33 87 10= ⋅ −. m ; α1 20= ; α2 15= ; β = 60 .

Rato padangos kontakto ilgis Lk=0,25 m.Panaudojant duotą betoninio kelio autokoreliacinę funkcuiją,

sugeneruoto pradinio kelio profilio aukštis z(x) ir sulyginto profilio aukštis, priklausomai nuo važiavimo greičio, parodyti 4.7 pav., o aukščio kitimo greitis:

dzdt

dzdxdxdt

dzdxv= = ,

parodytas 4.8 pav.

4.6 lentelės pabaiga

Page 130: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

129

a)

b)

c)

4.7 pav. Betoninio kelio ir sulyginto kelio nelygumų aukštis: a – v=60 km/val.; b – 90 km/val.; c – 200 km/val.

Page 131: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

130

a)

b)

c)4.8 pav. Betoninio kelio ir sulyginto kelio nelygumų aukščio kitimo greitis:

a – v=60 km/val.; b – 90 km/val.; c – 200 km/val.

Page 132: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

131

Vienas iš galimų kelio nelygumų spektrinis tankis (kelias yra grindinys) gali būti ( 4.9 pav.):

S v v vv vqi =− +

+ − +

183 21 545 2 413 29 004 38 15 27 1

4 2 3 5

6 4 2 2 3, , ,, , ,

ω ω

ω ω ω 77 6v,

(4.35)

čia v – judėjimo greitis, m/s; ω− kaminis dažnis, rad/s.

4.9 pav. Spektrinis tankis: kelias – grindinys

Kitas kelio paviršiaus nelygumų aukščio generavimo būdas gali būti:

z t dfvkdf

A kdftk

Nzs( ) =

( )

+=∑ 2 2

1

1 5

2 5π

π,

, ( sin ψψ π ψsk zc ckB kdft( ) + +( )cos 2

(4.36a)

arba

z x dfvkdf

A kdf xvk

Nzs( ) =

( )

=

∑ 2 21

1 5

2 5π

π,

, ( sin

+

+

+

ψ π ψsk zc ckB kd x

vcos 2 ,

(4.36b)

čia Azs , Bzs – amplitudės, m; df – dažnio žingsnis, Hz; ψsk , ψck – pradinės fazės, N – bendras narių skaičius.

Pradinė fazė – tai atsitiktinis dydis, kuris tolygiai pasiskirstęs in­tervale ψ π π∈ −[ ].. .

Page 133: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

132

Pats paprasčiausias būdas sugeneruoti kelio paviršiaus profilį gali būti:

z x ALkx A

Lkxzsk

k

NHzck( ) = +

=∑ sin( ) cos( )2 2

1

π π (4.37a)

arba

z t ALkvt A

Lkvtzsk

k

NHzck( ) = +

=∑ sin( ) cos( )2 2

0

π π , (4.38b)

čia Azsk , Bzsk – koeficientai prie sinuso ir kosinuso, atitinkamai, m; v – judėjimo greitis, m/s; L – kelio makroprofilio periodas; – harmo­nikų skaičius.

Turėdami kelio profilio funkciją z x( ) , sulygintą kelio profilio aukštį su koordinate xi galime apskaičiuoti:

z xL

z x dxik xi L

xi L

k

k( ) = ( )

+

∫1

2

2

/

/. (4.39)

4.3. geležinkelio nelygumai, jų charakteristikos ir nelygumų generavimo būdai

Bėgiai yra pagrindinis laikantysis viršutinės bėgių kelio kons­trukcijos elementas. Šis viršutinės bėgių kelio konstrukcijos elemen­tas yra tiesiogiai veikiamas apkrovų, kurias sukelia riedmenų ratai, todėl bėgiai turi atlaikyti dideles dinamines apkrovas vertikalia, išilgi­ne ir skersine kryptimi. Siekiant užtikrinti saugų traukinių eismą, bė­giai turi būti reikiamo stiprumo ir atsparūs dilimui. Bėgiai negali būti eksploatuojami, jei juose atsiranda defektų, keliančių pavojų saugiam traukinių eismui [11].

Bėgių defektai klasifikuojami pagal jų rūšį, vietą, pagal bėgio aukštį ir ilgį, pagrindinę defekto atsiradimo priežastį, o esant defektui suvirinimo siūlėje – pagal suvirinimo būdą.

Bėgių nuodyla – tai bėgių galvutės nudilimas, atsirandantis dėl riedmenų ratų ir bėgio galvutės sąveikos [12] (4.10 pav.).

Page 134: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

133

Vagonui stabdant arba pagreitėjant, kai aširatis praslysta bėgių paviršiumi, aširatyje ir bėgio paviršiuje atsiranda iščiuožų (4.11 pav.).

4.10 pav. Bėgių defektai

Nagrinėjant vagono judėjimo dinamiką labai svarbu vertinti bėgių nelygumus išilgine, skersine kryptimis, lokalinius nelygumus (bėgių suvirinta vieta, bėgių sandūra ir kt.) ir aširačių paviršiaus nelygumus.

Dažniausiai pasitaikantys bėgių nelygumai ir jų matematinės iš­raiškos parodytos 4.7 ir 4.8 lentelėse.

4.11 pav. Aširačio defektas (iščiuoža)

Page 135: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

134

4.7 lentelė. Bėgių nelygumai ir jų matematinės išraiškos

Tipas Lygtis Forma

1 Jokių pažei­dimų

Nulis __________________

2 Plokštuma ant rato f x d x

L( ) = −

2

1 2cos π

3 Sinusinis gofruotumas f x d x

L( ) =

2

2sin π

4 Įlinkęs sujungimas f x d x

L( ) = ±

1 2cos π

5 Įdubęs suvirinimas f x d x

L( ) = −

2

1 2cos π

6 Iškilęs suviri­nimas f x d x

L( ) = −

2

1 2cos π

7

Atsitiktinio profilio rato paviršiaus kontūras

Turi būti nustatytos rato pavir­šiaus x ir y koordinatės

8Atsitiktinio

profilio bėgio paviršius

Turi būti nustatytos rato pavir­šiaus x ir y koordinatės

Čia f (x) – pažeidimo formos funkcija; x – esamo taško bėgio ko­ordinatė; d – pažeidimo gylis; L – visas pažeidimo ilgis.

Page 136: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

135

4.8 lentelė. Lygtys, naudojamos nudėvėtų ratų plokštumų, bėgių įlinkimui ir suvirinimo profiliams aprašyti

Modelio pavadi­nimas

Nudėvėtų ratų plokštumas Bėgių įlinkimas ar suvirinti pro­filiai

DARTSz x d x

a( ) = −

2

1 2cos π

0 < <x a

z x d xL

x L( ) = −

< <1 0 2cos /π

z x d xL

L x L( ) = +

< <1 2cos /π

DIFFz x d x

a( ) = +

2

1 2cos π

− < <a x a/ /2 2

z x dLx d L x( ) = ( ) + − < <

2 2 0/

z x dLx d x L( ) = − ( ) + < <

2 0 2/

NU-CARS* z x d

d e e e

e e

xa

xa

xa

aa

aa

( ) = −

+ −

+ −

− − −

− −

1 2 3

2

1

3

1

2

1 2

d mm a mm a mm= = =0 38 50 52 1, ; ;

z x d

d e e e

e

Ä L

L

L Ä L

LL

L

L( ) = −

+ −

+

− −

− −

[ ] [ ]2

1

22

1

2

1

2

2 222

1 −− −−LL

Le1

2

12 2

L mm L mm2 11000 216 22= =; ,

SUBTTI

z x da r

xr

xr

( ) =− ( )

1 2 2cos /

cos cos

− < <a x a/ /2 2

r – rato spindulys

z x( ) = 0 0. x x Lm< −

2

z x dL

x x Lm( ) = − −

22

x L x xm m− < <2

z x dL

x x Lm( ) = − −

22

x x x Lm m< < +

2

z x( ) = 0 0. x x Lm< +

2

TRACKx d x

a( ) = −

2

1 2cos π

0 < <x a

z x L xL

x L( ) = −

< <

α2

1 0 2π

πcos /

z x L xL

L x L( ) = −

< <

α2

1 2π

πcos /

α – bėgio įlinkio kampas

VICTx d x

a( ) = −

2

1 2cos π

0 < <x a

z x d xL

( ) = −

2

1 2cos π

0 < <x L

NUCARS nudėvėtų ratų plokštumas yra imamas kaip rato spin­dulio variacija. Visi kiti modeliai rato nudėvėjimą aprašo kaip funkciją nuo kelio nelygumo.

Page 137: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

136

Formulių, pateiktų 4.8 lentelėje, žymėjimai: d – rato nudėvėtos vietos gylis, sujungimo ar virintos vietos įlinkio gylis; a – nudėvėtos rato plokštumos ilgis; L – įlinkusio bėgio sudūrimo ar suvirintos įlin­kusios bėgio vietos ilgis.

Kitas būdas tiksliau matematiškai aprašyti aširačių defektus (pa­žaidas) yra realųjį aširačių profilį skleisti Furjė eilute. Aširačio spindu­lys užrašomas kaip centrinio kampo α funkcija:

R ( ) = R R ( )R R0 Rα α ∆–R ( ) = R R ( )R R0 Rα α ∆ , (4.1.20)

čia RR0 – pradinis aširačio spindulys; ∆R ( )R α – aširačio spindulio pokytis.

Generuojant aširačio iščiuožas galima nurodyti centrinius kam­pus αi ir αi+1 , tarp kurių yra iščiuoža (4.12 pav).

4.12 pav. Aširačio profilis su keliomis iščiuožomis

Aširačio spindulio funkciją R ( )R α skleidžiame Furjė eilute:

R A A k B kR kk

NHk

kα α α( ) = + ( ) + ( )

= =

∞∑ ∑0

1 1sin cos , (4.40)

Page 138: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

137

čia A f d00

212

= ( )∫πα α

π; A f k dk = ( )∫

1

0

2

πα α α

πsin( ) ;

B f k dk = ( )∫1

0

2

πα α α

πcos( ) ; NH – harmonikų skaičius.

4.4. virpesių poveikis žmogaus organizmui

Virpesių poveikis žmogui visų pirma susijęs su svyravimais, ku­rie atsiranda veikiant kintamai jėgai. Tokių svyravimų priežastys gali būti susijusios ne tik su jėginiu, bet ir kinematiniu žadinimu.

Pagrindiniai virpesių parametrai: svyravimų amplitudė A mm, , svyravimų dažnis f Hz, , svyravimų greitis v m s, ir svyravimo pa­greitis a m s, 2 .

Pagal svyravimų dažnį virpesiai skirstomi:– ypač žemo dažnio – iki 11 Hz– žemo dažnio – nuo 30–250 Hz– aukšto dažnio – daugiau nei 250 Hz.

Virpesių spektro pobūdis analogiškas triukšmo spektrams. Įvertinus tai, kad absoliučios parametrų reikšmės kinta labai plačiu intervalu, vibroakustinių tyrimų praktikoje analogiškai triukšmui nau­dojamos parametrų lygio sąvokos.

Pagreičio lygis – tai charakteristika, lyginanti pagreičio vidutinę kvadratinę reikšmę su pagreičio etalonine reikšme:

L aaavkr= 200

lg , (4.41)

čia La – pagreičio lygis, dB; avkr – pagreičio vidutinė kvadratinė reikšmė, m/s2 m/s2; a0 – pagreičio etaloninė reikšmė, lygi 10 m/s6 2− .

Greičio lygis – tai charakteristika, lyginanti greičio vidutinę kva­dratinę reikšmę su greičio etalonine reikšme:

L vvvvkr= 200

lg , (4.42)

čia Lv – greičio lygis, dB; vvkr – greičio vidutinė kvadratinė reikšmė, m/s; v0 – greičio etaloninė reikšmė, lygi m/s. v m s0

85 10= ⋅ − .

Page 139: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

138

Fizikinio dydžio f t( ) vidutinė kvadratinė reikšmė laiko intervale t t t∈[ , ]1 2 yra lygi:

ft t

f t dtvkrt

t=

−( ) ∫

1

2 1

2

1

2. (4.43)

Pagal atsiradimo šaltinį darbo vietose virpesiai skirstomi į tris ka­tegorijas:

– I – transporto;– II – transporto-technologinė („a“ tipo, kai žmogus yra veikia­

mas vibracijos darbo vietoje prie stacionarių mašinų, „b“ tipo, kai vibracija veikia žmogų protinio darbo vietose);

– III – technologinė.

Vibracija dar skiriama į: – viso kūno – kai ji perduodama per stovinčio ar gulinčio žmogaus

atramos paviršius į jo kūną ir veikia organizmą;– rankas veikianti vibracija – kai vibracija vibruojančių įrengi­

nių / priemonių perduodama į rankas.

Pagal veikimo kryptį viso kūno vibracija skirstoma ortogonalinės koordinačių sistemos ašių kryptimis (4.13 pav.) :

– vertikaliąją nuo kojų galvos link (Z ašis); – horizontaliąją, einančią nuo nugaros į krūtinę (X ašis); – horizontaliąją, einančią nuo kūno dešinės pusės į kairę (Y ašis).

Page 140: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

139

4.13 pav. Žmogaus kūno vibracijų kryptys

Dažniausiai leidžiami pagreičio ir greičio lygiai Z ašies kryptimi didesni negu X–Y ašių kryptimis; I – kategorijos virpesiams didesni negu II kategorijos virpesiams.

Virpesių poveikis priklauso nuo svyravimo proceso galios kon­takto vietoje, poveikio laiko, kontakto vietos, poveikio krypties, kūno audinių slopinimo savybių, rezonanso veiksnių ir daugelio kitų savy­bių. Ypač kenksmingi žmogui virpesiai, kurių dažnis artimas skirtin­gų kūno dalių savajam dažniui (4.14 pav.). Daugumos vidaus organų savasis dažnis – 3–9 Hz (širdies dažnis artimas 5–6 Hz), pečių juos­tos – 16–20 Hz. Ypač didelę reikšmę rezonansas turi regos organams. Regėjimo sutrikimai kyla veikiant 60–90 Hz virpesiams, kurie atitinka akių obuolių savąjį dažnį.

Page 141: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

140

4.14 pav. Žmogaus kūno dalių savieji dažniai

Tarp profesinių susirgimų vibracijų patologija yra antroje vietoje (po dulkių).

Veikiant vibracijai pirmiausia nukenčia nervų sistema ir anali­zatoriai: vestibuliarinis, regos, jutiminis. Ilgalaikis virpesių poveikis skatina vibroligos vystimąsi, kuri pasireiškia biologinių audinių pa­žeidimais:

rankų drebėjimas; raumenų atrofija (baltų pirštų sindromas); krau­jagyslių elastingumo sumažėjimas; 4) nervų jautrumo sumažėjimas; kaulų audinių išsigimimas.

Ligos vystimąsi skatina padidėjusi raumenų įtampa, žema tem­peratūra ir psichoemocinis stresas. Vibroliga priklauso prie profesinių susirgimų, kurių efektyvus gydymas galimas tik ankstyvoje stadijoje. Žmogaus kūną galima nagrinėti kaip dinaminę sistemą arba tam tikros sistemos dalį, pvz., sistemos „Žmogus – transporto priemonė“. Tokiai sistemai virpant vyksta energijos pasidalijimas tarp žmogaus ir trans­porto priemonės.

Page 142: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

141

Sprendžiant gyvo organizmo dinamikos problemas visų pirma reikia parinkti dinaminį modelį. Paprastai tokiems tikslams sudaroma mechaninė sistema, susidedanti iš tam tikro skaičiaus koncentruotų masių, sujungtų tarpusavyje tampriais ir slopinimo ryšiais (4.15 pav.). Turi būti daroma prielaida, kad dinaminio modelio parametrai nekinta tyrimo metu. Kiekvienas tokios sistemos elementas paprastai turi tik vieną savybę, pavyzdžiui, kūnas turi masę, tačiau jis nedeformuoja­mas, idealiai tamprus; ryšiai – sukuria pasipriešinimą, proporcingą sistemos judesio greičiams, ir t. t. Tokie labai supaprastinti modeliai gali būti naudojami žemų virpesių dažnių tyrimams.

4.15 pav. Žmogaus, kaip biomechaninės sistemos, dinaminis modelis, turintis 15 laisvės laipsnių

visą kūną veikiančius virpesius (vibracijos poveikį) regla-mentuoja Hn 51:1994, rankas veikiančią vibraciją – Hn 59:1996.

LST EN ISO 5349-1:2004 Mechaniniai virpesiai. Per rankas per­duodamos vibracijos matavimas ir poveikio žmogui įvertinimas.

1 dalis. Bendrieji reikalavimai LST EN ISO 5349-2:2004 Mechaniniai virpesiai. Per rankas per­

duodamos vibracijos matavimas ir poveikio žmogui įvertinimas.

Page 143: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

142

2 dalis. Praktiniai matavimo darbo vietoje nurodymai (ISO 5349-2:2001).

Higienos požiūriu virpesiai charakterizuojami: – komfortas, kai virpesiai nesukelia neigiamo erzinančio poveikio; – darbingumo išlaikymas, kai virpesiai nesukelia neigiamo po­

veikio arba darbigumo galimybių praradimo; – virpesių sauga, kai virpesiai nesukelia organizmui kenksmingo

poveikio; – sužalojimas virpesiais, kai virpesių poveikis nepakenčiamas

arba atsiranda traumų pavojus.

Mašinų ar sudėtingų įrenginių higieninis virpesių normavimas apribojamas jų arba jų elementų virpesių lygiu. Galiojantys virpesių intensyvumo lygio normatyvų reikalavimai sudaryti įvertinant žmo­gaus subjektyvaus virpesių poveikio pojūčius, taip pat fiziologines, biochemines, funkcines ir biomechanines organizmo reakcijas.

Virpesių poveikis žmogaus organizmui nusakomas keturiomis pagrindinėmis charakteristikomis:

– intensyvumu;– spektrine sudėtimi;– poveikio trukme;– poveikio kryptimi.

Intensyvumo rodikliai: – vidutinės aritmetinės arba amplitudinės pagreičių reikšmės;– virpesių greitis arba virpesių amplitudės.

Intensyvumą galima vertinti dviem būdais: tikraisiais absoliučiais dydžiais arba virpesių dydžio logaritminiais vienetais – decibelais.

L ppp =

20

0lg , (4.44)

čia p – virpesių matuojamo parametro reikšmė; p0 – pradinė matuo­jamo parametro reikšmė.

Page 144: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

143

Normuojant virpesių lygį jo spektrinė sudėtis vertinama oktavo­mis arba 1/3 oktavos pločio juostomis.

4.9 lentelė. Vidutiniai geometriniai dažniai ir juos atitinkančių juostų ribinės reikšmės

Vidutiniai geometriniai dažniai, Hz

Dažnių juostų ribinės reikšmės, Hz1/3 oktavos Oktava

0,8 0,7–0,89 0,7–1,41,0 0,89–1,12 0,7–1,41,25 1,12–1,40 0,7–1,41,6 1,40–1,78 1,4–2,82,0 1,78-2,24 1,4–2,82,5 2,24–2,8 1,4–2,83,15 2,8-3,5 2,8–5,64,0 3,5–4,4 2,8–5,65,0 4,4–5,6 2,8–5,66,3 5,6–7,1 5,6–11,28,0 7,1–8,9 5,6–11,210,0 8,9–11,2 5,6–11,212,5 11,2–14,1 11–2216,0 14,1–17,8 11–2220,0 17,8–22,4 11–2225,0 22,4–28,2 22–4431,5 28,2–35,5 22–4440,0 35,5–44,7 22–4450,0 44,7–56,2 44–8863,0 56,2–70,8 44–8880,0 70,8–89,1 44–88100,0 89,1–112,2 88–177125,0 112,2–141,8 88–177160,0 141,8–177,8 88–177

Vipresių poveikiui nustatyti dar galima naudoti energetinį dažninį įvertinimą. Šis vertinimas pagrįstas mechaninės virpesių energijos įvertinimu:

Page 145: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

144

A T v Zii

nvi= ( ) ( )

=∑ 2

0ω ω , (4.45)

čia T – virpesių poveikio trukmė, v iω( ) – virpesių greičio i­tosios harmonikos amplitudės, Z iω( ) – įėjimo mechaninio impedanso modulio reikšmė.

Pagal žmogaus kūno sugertą vidutinį galingumą:

N T k ai ii

nvi= ( ) ( )

=∑ ω ω

0

2 ,

čia a iω( ) – virpesių pagreičio i-tosios harmonikos amplitudės; ki iω( ) – koeficientas, įvertinanatis žmogaus savybių dažnines cha­rakteristikas.

Leistini virpesių lygiai normatyvinėje medžiagoje nustatyti ver­tinant, kad jų poveikio trukmė – 8 valandos, t. y. visa darbo diena. Negalima projektuoti ir eksploatuoti įrenginių, kurių virpesių lygis viršija leistinas normas. Vis dėlto, kai būtina eksploatuoti įrenginius, kurių virpesių lygis viršija leistinas normas, tuomet reikia trumpinti jų poveikio trukmę.

4.10 lentelė. Darbo laiko reikalavimai viršijant virpesių lygio normas

Normos viršijimas darbo vietoje, ne daugiau kaip

Leidžiama virpesių poveikio trukmė minutėmis, ne daugiau kaip

dB kartais dirbant su staciona­riais įrenginiais

laivuose, katilų skyriuose

0 1 480 14003 1,4 120 –6 2 60 1209 2,8 30 6012 4 15 –

Tarptautinės normatyvų leistinos normos reglamentuojamos ISO standartais.

Page 146: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

145

Virpesių poveikis priklauso nuo virpesių spektro sudėties, jų krypties, poveikio vietos, poveikio trukmės ir nuo žmogaus individua-lių savybių (4.16 pav.).

4.16 pav. Virpesių žalingas poveikis žmogaus organizmui

Automobiliu važiavimo komfortas vertinamas pagreičio vidutine kvadratine reikšme:

at t

a t dtvkrt

t=

−( )∫

1

2 1

2

1

2, (4.46)

a t( ) – svertinis pagreitis (slenkamasis judesys, m s/ 2 ar sukamasis judesys, rad s/ 2

).Pagal gautą pagreičio vidutinę kvadratinę reikšmę avkr ir virpe­

sių trukmę T t t= −2 1 , panaudojant standartą ISO 2631 (1997), nusta­toma leidžiama virpesių trukmė.

Page 147: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

146

Matavimo trukmė turi būti tokia, kad būtų užtikrintas priimtas statistinis tikslumas ir virpesių metu pasireikštų tipiškas poveikis, ku­ris turi būti įvertintas. Matavimo trukmė turi būti registruojama.

Kai pagreičio virpesiai vyksta pagal harmoninį dėsnį:

a t A t( ) = ( )sin ω , ω π= 2 f , (4.47)

čia A – amplitudė, m s2 ; f – dažnis, Hz.Tada pagreičio vidutinė kvadratinė reikšmė lygi:

at t

a t dt Avkr

t

t=

−( ) =∫

122 1

2

1

2 . (4.48)

Vertikalių virpesių poveikis žmogaus organizmui nustatomas pa­rametru K:

K a fvkr=10 , kai kai f1 4< ≤

K avkr= 20 , kai kai f4 8< ≤

K a fvkr=160 , kai kai f8 80< ≤ , (4.49)

o horizontalių virpesių poveikis žmogaus organizmui nustatomas:

K avkr= 28 , kai kai f1 2< ≤

K a fvkr= 56 , kai kai f2 80< ≤ . (4.50)

Funkcijos (4.49) ir (4.50) gali būti naudojamos nustatant virpesių poveikį panaudojant eksperimentų išmatuotus pagreičius (4.17 pav.).

Page 148: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

147

4.17 pav. Virpesių poveikio įvertinimas: a – vertikalus poveikis; b – horizontalus poveikis

Iš 4 pav. matoma, kad didžiausias vertikalių virpesių poveikis žmogaus organizmui yra dažnių intervale f = −4 8 Hz. Į šį dažnių in­tervalą patenka kai kurių žmogaus organų savieji dažniai, pavyzdžiui, širdies savasis dažnis yra 5–6 Hz.

Kelių transporto priemonių parametras K turi tenkinti tokią sąly­gą (4.18 pav.): 2 10< <K (4.51).

4.18 pav. Virpesių poveikio įvertinimas įvertinant poveikio trukmę

Page 149: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

148

Panaudojant 4.18 pav., virpesių poveikį galima įvertinti taip:– sritis C1-C2 – tinkama;– sritis D1-D2 – netinkama;– sritis E1-E4 – labai netrinkama.

Vertikaliųjų virpesių poveikio žmogaus organizmui izolinijos pa­teiktos 4.19 pav.

4.19 pav. Vertikaliųjų virpesių jutimo izolinijos: a – pagreitis; f – dažnis, Hz; 1 – virpesiai nejuntami; 2 – virpesiai juntami; 3 – virpesiai

juntami aiškiai; ė – nemalonus poveikis; 5 – nepakeliamas poveikis

ISO 2631 standarto pateiktos vertikaliųjų virpesių jutimo izolini­jos pateiktos 4.20 pav.

4.20 pav. Vertikaliųjų virpesių įtaka pagal ISO 2631 standartą: a –pagreitis; f – dažnis, Hz

Page 150: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

149

Tais atvejais, kai pagrindiniame vertinimo metode gali būti nepa­kankamai įvertintas vibracijos poveikis (atsitiktiniai smūgiai, laikini virpesiai) m, nustatoma slenkamoji vidutinė kvadratinė vertė arba vir­pesių dozės vertės ketvirtasis laispnis.

Taikant slenkamosios vidutinės kvadratinės vertės įvertinimo metodą, taikomas trumpas integravimo laikas. Virpesių dydis apibrė­žiamas kaip didžiausia pereinamųjų virpesių vertė (DPVV), kuri yra didžiausia a tw 0( ) vertė, kuri yra lygi:

a t a t dtwt

t

02

0

1 21 0

( ) = ( )

−∫τ τ

(4.52a)

arba

a t a t e dtw

t t t

02

1 21 0 0

( ) = ( )

−∞

∫ττ , (4.52 b)

čia a t( ) – momentinis svertinis pagreitis; τ – slenkamojo vidurkio integravimo laikas; t0 – stebėjimo laikas; t – laikas.

Didžiausia pereinamųjų virpesių vertė (DPVV) išreiškiama taip:

DPVV a tw= ( )( )max 0 . (4.53)

Tai reiškia didžiausią a tw 0( ) dydį, išmatuotą matavimo laiku T t t= −2 1 .

Matuojant DPVV rekomenduojama takyti τ =1 s.Virpesių dozės ketvirtuoju laipsniu metodas yra geresnis įverti­

nant smailes nei nustatant pagrindiniu įvertinimo metodu, nes vidur­kinimo pagrindu vietoj pagreičio laiko funkcijos antrojo laipsnio tai­komas ketvirtas laipsnis. Kai TP juda nelygiu keliu (duobėtas kelias, grindinys), virpesių poveikį žmogui įvertinti labiau tinka naudoti vir­pesių dozės vertę VDV, kuri yra lygi:

VDVt t

a t dtt

t=

−( )

1

2 1

41 4

1

2, (4.54)

čia a t( ) – momentinis svertinis pagreitis.

Page 151: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

150

VDV parametras įvertina ne tik vidutinę signalo reikšmę, bet ir poveikio trukmę, jautrus pagreičio staigiems kitimams, tinkamesnis, kai matuojamas signalas yra statistiškai nestacionarus. VDV paramet-ro mato vienetas yra ms(–1,75).

Kai virpesių poveikis susideda iš dviejų ar daugiau skirtingos apimties laiko trukmių i, virpesių dozės vertė, apibūdinanti bendrą poveikį, turi būti apskaičiuota taip:

VDV VDVbendrai

=

∑ 1

4

14

. (4.55)

Pagal Didžiosios Britanijos standartą BS 6841, kai VDV paramet-ras pasiekia reikšmę 15 ms–1,75, važiavimo komfortas yra labai blo­gas. TP važiavimo laikas, kai parametras VDV pasiekia reikšmę 15 ms–1,75, yra lygus:

TVDV

tt

15

415

=

, (4.56)

čia T15 – laikas, s; t – laikas, s.Laikas T15 gali būti važiavimo diskomforto kriterijumi.Kai galima išmatuoti pagreičius X, Y ir Z ašių kryptimis, VDV

parametras nustatomas taip:

VDV VDV VDV VDVbendras x y z= + +( )4 4 41

4 . (4.57)

Laiko T15 reikšmės priklausomai nuo kelio tipo ir važiavimo greičio parodytos 4.11 lentelėje.

4.11 lentelė. Laiko T15 reikšmės priklausomai nuo kelio tipo ir važiavimo greičio

Kelio tipasGreitis, km/val

20 40 60 80Grindinys 1940 min. 770 min. 660 min. 375 min.Priemiesčio kelias 2160 min. 730 min. 540 min. 315 min.Duobėtas kelias 225 min. – – –

Page 152: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

151

Egzistuoja ryšis tarp kelio nelygumus charakterizuojančio para­metro IRI indekso ir TP bazinio vertikalaus pagreičio ab (Ahlin, K. and Granlund)

aIRI

vb =

0 16

80

2

, , (4.58)

čia v – TP važaivimo greitis, km/val.Kai kurių kelių baziniai pagreičiai parodyti 4.12 lentelėje.

4.12 lentelė. Bazinių pagreičių reikšmės

Kelių tipas

Bazinis pagreitis, m s2 IRI Indeksas,

mm/m20 km/val. 40 km/val. 60 km/val. 80 km/val.Auto-magistralė

0,14 0,24 0,30 0,35 2,08

Grindinys 0,5 0,65 0,71 0,80 5,46Priemiesčio kelias 0,51 1,0 1,08 1,3 8,65

Duobėtas kelias 0,78 – – – 9,75

Kitas parametras, kuris gali būti naudojamas įvertinti virpesių po­veikį žmogui, yra ekscesasKa :

KN

a aa i vidi

N= −( )

=∑

14

1

4

σ, (4.59)

čia avid – vidutinė pagreičių reikšmė; σ – vidutinis kvadratinis pa­greitis; N – matavimo taškų skaičius. Kai ekscesas lygus 3, pagreitis pasiskirsto pagal normalinį skirstinį.

Vertinant keleivių vežimo komfortabilumą geležinkeliu naudoja­mas Šperlingo kriterijus:

S c f afp = ( )0 893

10, , (4.60)

čia c(f) – dažnio ir virpesių krypties koeficientas; a – pagreičio ampli­tudė, cm s/ 2 ; f – dažnis, Hz.

Page 153: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

152

4.13 lentelėje pateiktos Šperligo kriterijaus Sp reikšmes.

4.13 lentelė. Šperligo kriterijaus Sp reikšmės

Eilės Nr.

Būsenos pobūdis Sp reikšmė

1 Labai gera 2,02 Gera 2,0–2,53 Pakankama keleiviniams vagonams 2,5–3,04 Ribinė keleiviniams vagonams 3,0–3,255 Ribinė lokomotyvams 3,5–3,756 Ribinė atsižvelgiant į žmogaus fiziologiją 4,5

LiTeraTūraASTM Standard Practice for Computing International Roughness Index of Roads

from Longitudinal Profile Measurements, ASTM Standards 04.03, Road and Paving Materials; Vehicle-Pavement Systems, E1926-98 (2003), 2008.12. Железнодорожный транспорт: Энциклопедия / Гл. ред. Конарев Н. С. Москва: Большая Российская энциклопедия, 1994. 559 c.

Bėgių defektų ir pažeidimų klasifikatorius. 2004. Vilnius: SPAB „Lietuvos geležinkeliai“. 135 p.

Blakely, K. 1993. MSC/NASTRAN Basic Dynamic Anglysis. Vers. 68, The MacNeal-Schwendler Corp.

Bommer, A. L. G. 2005. Non-linear Car-Model for Smooth-Road Behavior. Master’s Thesis.

BS 6841 Measurement and Evaluation of Human Exposure to Whole-body Mechanical Vibration and Repeated Shock. British Standards Institution, 1987.

Causemann, P. 1999. Automotive Shock Absorbers. ZF Sachs technical paper, Verlag Moderne Industrie.

Cucuz, S. 1993. Schwingempfindung von Pkw-Insazzen. Dissertation University Braunschweig.

Dossing, O. 1988. Structural Testing. Part 1 and 2: Mechanical Mobility Measurements, Bruel and Kjear.

Fahy, F.; Walker, J. G. 1998. Fundamentals of Noise and Vibration. Routledge, New York.

Page 154: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

153

Franklin, G. F.; Powell, J. D.; Emami-Naeini, A. 1994. Feedback Control of Dynamic Systems. Addison-Wesley Publishing Company.

French, P. J. 1997. Intelligent Dumper and Hauler Suspension System (IDHSS). ACARP Project no. C4013, Australian Coal Research Limite.

Geležinkelio kelio priežiūros taisyklės. 2000. Vilnius: SPAB „Lietuvos gele­žinkeliai“. 213 p.

Geluk, C. T. T. 2005. Vehicle Vibration Comfort: the Influence of Dry Friction in the Suspension. Master’s Thesis [interaktyvus]. Prieiga per internetą: http://www.mate.tue.nl/mate/pdfs/5813.pdf.

Gillespie, T. D. 1992. Fundamentals of Vehicle Dynamics. SAE-International.Heylen, W.; Lamens, S.; Sas, P. 1997. Modal Analysis Theory and Testing.

KUL Press, Leuven.ISO 2631 Mechanical Vibration and Shock-Evaluation of Human Exposure

to Whole-body Vibration. International Organization for Standardization, 1997.

ISO 2631 Mechanical Vibration and Shock – Evaluation of Human Exposure to Wholebody Vibration, ISO 2631-2:2003. International Organisation for Standardization, 2003.

ISO 8608 Mechanical Vibration, Road Surface Profiles, Reporting of Measured Data, ISO 8608:1995, International Organisation for Standardization, 1995.

ISO Reporting Vehicle Road Surface Irregularities. Technical Report, ISO, ISO/TC108/SC2/WG4 N57, 1982.

King, R.; Crolla, D.; Ash, H. 2002. Identification of Subjective-Objective Vehicle Handling Links Using Neural Networks for the Foresight Vehicle. SAE paper, 2002-01-1126.

Kolm, H.; Kudritzki, D.; Wachinger, M. 1997. Optimiering des Fahrkomforts durch betrachtung der Dampfungseigenschaften der Radaufhangung. VDI-Berichte 1350. 101–122 p.

Kreuger, H.; Neukum, A. A. 2000. Workload Approach to the Evaluation of Vehicle Handling Characteristics. SAE paper.

Leurs, W.; Gielen, L.; Brughmans, M.; Dierckx, B. 1997. Calculation of Rigid Body Properties From FRF Data: Practical Implementation and Test Case. 15th IMAC Japan.

Lewitzke, C.; Lee, P. 2001. Application of Elastomeric Components for Noise and Vibration Isolation in the Automotive Industry. Sae-paper, 2001-01-1447.

Page 155: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

154

Milliken, W. F.; Milliken, D. L. 1995. Race Car Vehicle Dynamics. SAE-International.

Mitschke, M. 1997. Dynamik der Kraftfahrzeuge. Band B: Schwingungen, Springer Verlag.

P. v. d. Loo. 2003. The Development of the Smart Strut Improved Sliding Pillar Front Active Suspension System for Mining Trucks. Birrana Engineering Technical Paper.

Pare, C. 1998. Experimental Evaluation of Semiactive Magneto-Rheologial Suspensions for Passenger Vehicles. Master’s Thesis.

Pielemeier, W.; Greenberg, J.; Meier, R.; Jeyabalan, V.; Otto, N. 2001. Some Factors in the Subjective Evaluation of Laboratory Simulated Drive. SAE paper.

Schmechtig, K.; Lennarsson, B. A. 2000. Simple and Efficient Description of Car Body Movements for the Use in Virtual Prototyping and Ride Comfort Evaluation. SAE paper.

Shaver, R. M.; Liu, K. J. 2005. Body/Chassis Dynamic Response Under Experimental Modal Test. SAE-paper 2005-01-2463.

Singh, R. 2000. Dynamic Design of Automotive Systems: Engine Mounts and Structural Joints. Sadhana, Vol. 25, Part 3. Printed in India. 319–330 p.

VDI-2057 Einwirkungen Mechanischer Schwingungen auf denMenschen – Ganzkorperschwingungen, VDI 2057 Blatt 1:2002, Beuth Verlag GmbH, 2002.

Verver, M. 2004. Numerical Tools for Comfort Analysis of Automotive Seating. Phd-Thesis.

White, R. G.; Walker, J. G. 1982. Noise and Vibration. Ellis Horwood Limited, Chichester.

Zong, C.; Guo, K.; Guan, H. 2000. Research on Closed-loop Comprehensive Evaluation Method of Vehicle Handling and Stability. SAE paper.

Page 156: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

155

5. auToMoBiLio raTo sąveika su keLiu

5.1. Padanga ir jos sandara

Padanga yra sudėtingas inžinerinis objektas, sudarytas iš gumos mišinio ir įvairiausių sintetinių medžiagų, sujungtų tarpusavyje karš­tos vulkanizacijos būdu. Gumos mišinių sudėtis, jos ingredientai, do­zės ir gamybos technologijos yra kiekvieno gamintojo itin saugomos paslaptys.

Karkasas / karkaso gijos

5.1 pav. Radialinės padangos struktūros bendras vaizdas

5.2 pav. Diagonalinės padangos struktūros bendras vaizdas

Page 157: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

156

5.3 pav. Radialinės padangos detali struktūra

Padangos struktūrinės sudedamosios dalys yra daugmaž visų ga­mintojų panašios ir lengviau atpažįstamos, tačiau viešai ir detaliai apie jas nėra niekur skelbiama. Padangos sudedamosios dalys yra:

– Gumos sluoksnis (angl. rubber coating) – vienalytis gumos mišinio sluoksnis, gaubiantis padangos vidinę struktūros dalį ir pasi­žymintis būtent tai padangai ir jos paskirčiai būdingomis charakteris­tikomis, leidžiančiomis išsiskirti iš kitų padangų;

– Vidinis ratas (angl. innerliner) – padangos vidinę dalį den­giantis plonas gumos mišinio sluoksnis, pasitaikantis padangose, ku­riose naudojama papildoma dujų kamera ir be jos; užtikrina vidinės ertmės, užpildytos oru, hermetizavimą

– Karkaso gijų sluoksnis (angl. body ply) – padangos karkasą dengiantis plonas gumos mišinio sluoksnis ir radialinių gijų sluoksnis, apimantis briaunos lanką ir borto užpildą; suteikia padangai formą ir užtikrina jos charakteristikas

– Karkasas (angl. body plies) – karkaso gijos, gaubiančios ir jungiančios vieną ir kitą, priešais esančius, padangos kraštus; suteikia padangai formą, užtikrina struktūros stiprumą, reikalingą oro slėgiui, smūgiams ir apkrovoms atlaikyti, nulemia maksimalų padangos kam­

Page 158: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

157

pinį greitį ir valdomumo savybes. Karkasą sudaro vienas (5.1 pav.) ar keletas plonų sintetinių siūlų ar audinių sluoksnių, pagamintų iš visko­zės, nailono, poliefiro, plieno ir kt medžiagų. Diagonalinės padangos karkaso gijų orientacija gali būti įstriža, o radialinės padangos – skersa padangos riedėjimo krypčiai;

– Briaunos lankas (angl. bead bundle) – bronza dengtų, pintų ir tarpusavyje supintų bei susuktų, lanką sudarančių plieninių vielų ma­syvas (lankas gali būti sudarytas ir iš anksčiau minėtų siūlų), įterptas į gumos mišinio sluoksnį; tvirtai laiko padangą reikiamoje padėtyje ant ratlankio ir užtikrina jos sandarumą;

– Briaunos sandarinimo paviršius (angl. abrasion gum strip) – elastingo gumos mišinio sluoksnis tarp briaunos lanko ir ratlankio; užtikrina padangos sandarumą ir sukibimą su ratlankiu, suteikia papil­domą briaunos lanko standumą;

– Briaunos lanko užpildas (angl. bead filler) – ertmės užpildas tarp padangos briaunos lanko ir karkaso gijų, dėl savo formos dar va­dinamas viršūne; užpildo geometriniai matmenys ir mechaninės savy­bės turi įtakos padangos charakteristikoms;

– Šoninė sienelė (angl. sidewall) – agresyvioms eksploatacijos sąlygoms ir ultravioletiniams saulės spinduliams atsparus gumos mi­šinio sluoksnis; apsaugo karkaso gijas nuo aplinkos išorinių poveikių ir mechaninių deformacijų. Šoninė sienelė dažnai turi informacinius užrašus, baltas juostas ar kt. dekoratyvus;

– Šoninės sienelės sutvirtinimai (angl. sidewall reinforcements) – papildomas, storesnis gumos mišinio sluoksnis, kartais dar vadinamas plaukmenimis; padanga gali turėti papildomus pastiprinimus šoninių sie­nelių apatinėje dalyje ratlankių apsaugai nuo deformacijų, maksimaliai leistinai ašinei apkrovai padidinti, padėti išlaikyti taisyklingą formą esant mažesniam už rekomenduojamą arba išvis nesant oro slėgio padangoje;

– Stabilizuojantis gijų (diržų) sluoksnis (angl. stabilizer ply skim arba belt skim) – gumos mišiniu dengtas gijų sluoksnis, kuriame gijos išdėstytos persiklojant viena kitos atžvilgiu (karkaso gijoms); apsaugo padangą nuo deformacijų ir suteikia papildomo tvirtumo;

– Stabilizuojančios gijos (diržai) (angl. stabilizer plies (belts)) – plieninių gijų arba sintetinių siūlų sluoksnis, persiklojantis vienas kito

Page 159: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

158

atžvilgiu į skirtingas puses; sutvirtina karkasą ir suteikia papildomą padangos atsparumą smūgiams į atraminį, besiliečiantį su pagrindu, paviršių. Padangos savybes veikia gijų storis, išdėstymo tankis bei persiklojimo kampas;

– Gumos intarpai (angl. belt wedges) – elastingo gumos mišinio juostelių intarpai tarp stabilizuojančių gijų (diržų) padangos besiremian­čios plokštumos kraštuose; sumažina trintį ir pažaidų atsiradimo galimybę tarp stabilizuojančių gijų (diržų) padangai riedant ir/arba deformuojantis;

– „Petukai“ (angl. shoulder inserts) – elastingo gumos mišinio juostelių intarpai tarp besiremiančios plokštumos padangos kraštuose sta­bilizuojančių (diržų) ir karkaso gijų; užtikrina besiremiančios plokštumos padangos vientisumą radialine kryptimi, išlaiko sluoksnių vientisumą;

– Protektorius (angl. tread) – sintetinių, kompozicinių ir natūra­lios gumos mišinių sluoksnis, turintis specialų raštą: griovelius, formuo­jančius blokelių formą ir skiriančius vieną protektoriaus blokelį nuo kito, lameles, įrėžtas į padangos protektoriaus bloką (dažniau pasitaiko žieminėse padangose); užtikrina sankibumą su atraminiu paviršiumi padangai riedant, stabdant, greitėjant, keičiant judėjimo trajektoriją. Protektorius ant padangos uždedamas karštos vulkanizacijos būdu ir yra suprojektuotas norint užtikrinti nepageidaujamų elementų šalini­mą iš tarpbesiremiančių atraminio ir padangos plokštumų, sumažinti keliamą triukšmą ir užtikrinti tolygų dėvėjimąsi;

– Papildomas sluoksnis po protektoriumi (angl. undertread) – pasitaiko ne visose padangose, tačiau papildomas gumos mišinio sluoksnis po protektoriumi leidžia sumažinti padangos riedėjimo var­žą, kuro sąnaudas ir pagerinti kt. padangos savybes;

– Adhezijos sluoksnis po protektoriumi (angl. subtread) – plonas rišantysis gumos mišinio sluoksnis sluoksnių sujungimui, priklijavimui vienam prie kito pagerinti; užtikrina protektoriaus sluoksnio ir papildo­mo sluoksnio po protektoriumi arba stabilizuojančių gijų sluoksnių pri­tvirtinimą prie padangos karkaso, uždengia stabilizuojančių gijų galus;

– Nailoninės gijos (nailoninė kepurė) (angl. nylon cap ply) – nailoninių gijų sluoksnis sutvirtina stabilizuojančių gijų sluoksnį arba besiremiančios plokštumos kraštuose stabilizuojančių gijų dalį; ap­saugo padangą nuo deformacijų ir suteikia formos reikiamą elastingu­

Page 160: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

159

mą ir užtikrina jos stabilumą veikiant didelėms išcentrinėms jėgoms riedant maksimaliu greičiu.

5.2. Padangos kontakte veikiančios jėgos ir momentai

Viena iš pagrindinių rato charakteristikų yra išilginio sankybio koeficiento µx priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo sx , vadinamoji µx xs− diagrama (5.4 pav.).

5.4 pav. Charankteringa µx xs− diagrama

Kad suprastume šios diagramos esmę ir su ja susijusius fizinius procesus, vykstančius sistemoje „Ratas-kelias“, nagrinėsime judan­čios transporto priemonės ratą. Ratas su pneumatine padanga nagri­nėjamas kaip kietas deformuojamas kūnas, kuris sąveikauja su kelio paviršiumi. Sąveikos sritis yra plotas, kuris vadinamas „kontakto pėd­saku“, kurio geometrinis centras nukrypęs tam tikru atstumu nuo ver­tikalios ašies, pereinančios per rato centrą.

Rato ir kelio kontakte apskritimine kryptimi atsiranda dvi zo­nos: padangos protektorius suspaudžiamas (kontakto pradžioje); kita zona – protektorius ištempiamas (po kontakto). Kontakto plote vyks­ta praslydimas arba padangos sluoksnių šlitis, kuriuose tangentiniai įtempimai didesni už sankibio jėgų įtempimus. Transporto priemonės rato linijinis greitis va rato centre nesutampa su apskritiminiu rato greičiu Rd Rω kontakte ( Rd –rato dinaminis spindulys, ωR – rato kam­pinis greitis). Dėl šių greičių nesutapimo atsiranda praslydimo greitis (5.5 pav.). Praslydimo greitis vs rato ir kelio kontakte yra lygus:

Pagreitėjimas: v R vs d R a= −ω , (5.2a)

Page 161: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

160

Stabdymas: v v Rs a d R= − ω . (5.2b)

a)

b)

5.5 pav. Padangos deformacija: a – stabdymas; b – pagreitėjimas

Rato teorijoje įvedama santykinio išilginio ir skersinio slydimo koeficientų sąvokos:

s vvxs

a= , (5.3a)

svvyy

a= . (5.3b)

čia vy – rato greitis, statmenas išilginiam rato greičiui.

Page 162: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

161

Priklausomai nuo transporto priemonės judėjimo kinematinių pa­rametrų (greičių) galimi penki santykinio išilginio slydimo koeficien­to atvejai (5.6 pav.).

Laisvai riedantis ratas Pagreitėjimas

sx = 0 su praslydimu sx <1 su praslydimu sx =1

v Rs d R= ω v Rd R< ω v = 0

sx = 0

µx

s vRx

s

d R=

ωsx =1

Stabdymassu praslydimusx <1

su praslydimusx =1

v Rd R> ω ωR = 0

v v Rs d R= − ω

s vvxs=

sx =1

5.6 pav. Rato santykinio išilginio slydimo koeficiento atvejai

Page 163: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

162

Išilginės jėgos Fx ir vertikalios jėgos Fz ,veikiančios į ratą, san­tykis vadinamas santykine išilgine jėga arba išilginiu sankybio koe­ficientu:

µxx

z

FF

= . (5.4)

Skersinės Fy ir vertikalios jėgos Fz , veikiančios į ratą, santykis vadinamas santykine skersine jėga arba skersiniu sankybio koeficientu:

µ yy

z

FF

= . (5.5)

Iš µx xs− diagramos matoma, kad didėjant santykiniam išilginiam slydimo koeficientui sx išilginis sankybio koeficientas µx didėja beveik tiesiškai. Šioje srityje, pavyzdžiui, sx ∈[ ... , ]0 0 1 , praslydimas yra ne­didelis ir jis šiek tiek turi įtakos transporto priemonės stabilumui ir jos valdymui. Kai yra tam tikra sx reikšmė ( sx = 0 10 0 20, ... , ), išilginis sankybio koeficientas pasiekia maksimalią reikšmę µx ,max . Rato san­tykinis išilginis slydimo koeficientas, kuriam esant pasiekiama maksimali išilginio sankybio koeficiento reikšmė, vadinamas kriziniu sx kr, . Toliau didėjant santykiniam išilginiam slydimo koeficientui sx ( sx> sx kr, ) išil­ginis sankybio koeficientas µx mažėja. Kai sx =1 – ratas visiškai už­blokuotas (nesisuka, ωR = 0 ), o kai sx = −1 , tada ratas visiškai prasisu­ka ( va = 0 ). Kai s sx x kr> , , transporto priemonė praranda stabilumą, ji yra nevaldoma.

Mokslininkai bandė analitiškai aprašyti µx xs− kreivę, t. y. gauti matematines priklausomybes µ µx x xs= ( ) , tačiau iki šiol nėra gauta universaliųjų µ µx x xs= ( ) funkcijų. Diagramos µx xs− maksimu­mas priklauso nuo:

– vertikalios prispaudimo jėgos;– kelio paviršiaus būklės;– TP pradinio stabdymo ar pagreitėjimo greičio;– slėgio padangoje.Transporto priemonės judėjimo stabilumui įtakos turi jėga, vei­

kianti rato ir kelio kontakte statmenai rato judėjimo krypčiai (skersi­nė jėga). Skersinė jėga atsiranda veikiant:

Page 164: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

163

– šoniniam vėjui;– išcentrinei jėgai, kai TP daro posūkį;– TP svorio jėgos dedamajai skersine kryptimi.Skersinė jėga Fy deformuoja padangą ir rato skersine kryptimi atsi­

randa papildomas slydimas, kuris apibrėžiamas skersiniu sankibio koefi-cientu sy (5.6 pav). Skersinės jėgos poveikis ratui parodytas 5.7 pav.

5.7 pav. Skersinės jėgos poveikis ratui: a – stabdymas ( v v Ra d R∑ = − ω );

b – pagreitėjimas v R vd R a∑ = − ω

Rato ir kelio kontakte kampas tarp rato sukimosi plokštumos ir rato judėjimo krypties vadinamas įstrižojo riedėjimo kampu α (arba skersridės kampas). Įstrižai riedančio rato kontakto užpakalinėje dalyje kelio reakci­ja į ratą yra didesnė negu priekinėje kontakto dalyje. Todėl šios reakcijos generuoja sukimos momentą apie vertikalią ašį z ir sukimos momentas Mz suka riedanti ratą taip, kad rato trajektorija sutaptų su rato sukimosi plokštuma. Toks momentas vadinamas stabilizuojamuoju rato momentu.

Reali rato ir kelio kontakte veikianti sankybio jėga Fµ yra lygi:F dAxy

Akontaktasµ τ= ∫ , (5.6)

čia τxy – kontakto plote veikiantys tangentiniai įtempimai; Akontaktas – kontakto plotas.

Vertikali kelio reakcija, veikianti kontakte, yra lygi:F dAz z

Akontaktas

= ∫ σ , (5.7)

čiaσz – kontakto plote veikiantys normaliniai įtempimai.

Page 165: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

164

Apytiksliai normalinius įtempimusσz ir tangentinius įtempimus τxy , τxy galima išreikšti tokiu pavidalu:

σ σz zm

n nxa

ya

= −

12 2

, (5.8a)

τ τπ π

x xm

nxa

xa

yb

= −

+2 12

2sin cos , (5.8b)

τ τπ

y ym

nxa

yb

= −

2

1 sin , (5.8c)

čia σzm , τxm , τym – normalinių ir tangentinių įtempimų amplitudės, atitinkamai; 2a ir 2b – kontakto ilgis ir plotis.

Normalinių σz ir tangentinių τx , τy įtempimų pasiskirstymas kontakto plote parodyti 5.8 pav.

a)

b)

Page 166: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

165

c)5.8 pav. Normalinių σz ir tangentinių τx , τy įtempimų pasiskirsty­

mas kontakto plote: a = 0,05 m; b = 0,12 m; σzm MPa= 0 204, ,τxm MPa= 0 1021, , τym MPa= 0 613,

Realiąją sankybio jėgą, veikiančią rato ir kelio kontakte, galima nu­statyti energijos balanso metodu. TP rato mechaninis darbas, atliktas per laiko vienetą , NR yra lygus pasipriešinimo jėgų galingumui NP:

N NR P= , (5.9)

čia N m v vR R a a= ; N N N NP m st= + +µ ∆ ,

mR – rato masė; va , vdvdtaa= – TP greitis ir pagreitis, atitinka­

mai; Nµ – sankybio jėgų galingumas; ∆Nm – kitų pasipriešinimo jėgų (aerodinaminė jėga, trinties jėga; sunkio jėgos dedamoji ir kt.) galin­gumas; Nst – stabdymo jėgų galingumas:

N F vaµ µ= ; (5.10)

N M Ist st R R R= −( )ω ω . (5.11)

Todėl sankybio jėga lygi:

FvN N N

vm v v M I N

aR st m

aR a a st R R R mµ ω ω= − −( ) = − −( ) −

1 1∆ ∆

.

(5.12)

Page 167: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

166

Kontakte veikiančią jėgą galima suskaidyti į dedamąsias

F F Fx yµ µ µ = + , (5.13)arba

µ µ µΣ = + x y . (5.14)

TP rato teorijoje naudojamas sankybio jėgų apskritimas, kuris išreiškia išilginės ir skersinės sankybio jėgų tarpusavio priklausomybes. Vienas iš pirmųjų mokslininkų, kuris nagrinėjo išilginių ir skersinių sankybio jėgų tarpusavio priklausomybes, buvo vokiečių moksli­ninkas V. Kamas (V. Kamm). Todėl sankybio jėgų apskritimas dar vadinamas Kamo apskritimu.

5.9 pav. Kamo sankybio jėgų apskritimas

Kamo apskritimas apibrėžia rato sankybio jėgų kraštines sąlygas:

F F F Fx y zµ µ µ µ = + ≤2 2max (5.15)

čia µmax – maksimalus sankybio koeficientas,

µ µ µµ µmax s s sx y( ) = ( ) + ( )2 2 . (5.16)

Nelygybę (5.15) galima naudoti tik apytiksliam slydimo ribų įvertinimui, kadangi µmax reikšmė priklauso nuo slydimo ir gali kisti plačiose ribose. Kartais naudojamas apytikslus sankybio koeficientas:

µ

µ

µ

µµ µx

x

y

ymax max

+

=

2 2

1, (5.17)

Page 168: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

167

čia µx max , µ y max – sankybio koeficientai esant pilnam slydimui išil­gine ir skersine kryptimis.

Įvedamas ir skersinės jėgos atsargos koeficientas:

KF

Fyy

µµ

µ

. (5.18)

Kai K yµ → 0 , tai TP judėjimas yra stabilus, o kai K yµ →1, tai TP praranda stabilumą.

Rato ir kelio kontakte veikiančios jėgos ir momentai pagal SAE ir ISO standartus parodyti 5.1 lentelėje

5.1 lentelė. Pagal SAE ir ISO standartus rato ir kelio kontakte veikiančios jėgos ir momentai

Vx> 0 SAE Pritaikytas SAE ISO Pritaikytas

ISO

Šoninis kampas (vaizdas iš viršaus)

Išvirtimo kampas(vaizdas iš galo)

Šoninis slydimas tanα =

VVsy

x

tanα = −VVsy

x

tanα =VVsy

x

tanα = −VVsy

x

Išilginis slydimas κ = −V

Vsx

x

κ = −VVsx

x

κ = −VVsx

x

κ = −VVsx

x

Posūkio slydimas Nėra

apibrėžtaϕ

ψ= −

VxNėra

apibrėžtaϕ

ψ= −

Vx________ γ = 0 --------- γ > 0

Page 169: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

168

Išilginės jėgos

Šoninės jėgos

Statmenos jėgos Fz< 0 Fz> 0 Fz> 0 Fz> 0

Momentas apie x ašį

Momentas apie y ašį My>0 My>0 My<0 My<0

Momentas apie z ašį

Sankybio koeficiento apytikslės reikšmės pateiktos 5.2 ir 5.3 lentelėse.

5.2 lentelė. Sankybio koeficiento ir riedėjimo varžos reikšmės važiuojant 60–80 km/h greičiu

Kelias µx f Asfaltbetonio ir cementbetonio kelias

sausas, švarus 0,7–0,9 0,012–0,015 šlapias 0,4–0,6 0,015–0,018

purvinas 0,20–0,45 0,16–0,20 apsnigtas 0,2–0,4 0,10–0,25 apledėjęs 0,09–0,30 0,012–0,020

Skaldos padengas kelias 0,50–0,65 0,04–0,07 Grindinys

sausas 0,6–0,7 0,025–0,035 šlapias 0,4–0,5 0,03–0,04

5.1 lentelės pabaiga

Page 170: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

169

Skaldyto akmens tašeliai sausi 0,4–0,6 0,02–0,03 šlapi 0,25–0,40 0,025–0,035

Gruntkelis sausas, kietas 0,5–0,6 0,03–0,05

drėgnas 0,2–0,4 0,04–0,10 ištižęs 0,15–0,30 0,06–0,30

Smėlis sausas 0,2–0,3 0,10–0,30

drėgnas 0,4–0,5 0,06–0,20 Molis

sausas 0,4–0,5 0,03–0,05 drėgnas, plastiškas 0,2–0,4 0,20–0,35

ištižęs 0,15–0,25 0,30–0,50 natūrali pieva 0,10–0,40 0,05–0,15 sausas arimas 0,40–0,70 0,15–0,30 sausas ledas 0,06–0,15 0,015–0,020

Sniegas: sausas, purus 0,2–0,4 0,10–0,30

suplaktas 0,1–0,4 0,07–0,10

5.3 lentelė. Sankybio koeficientas, kai kelias padengtas sniegu ir ledu

Kelio danga Detalesnis dangos būklės aprašymas Sankibumo koeficientas φ

Suvažinėtas snie­gas

Transporto priemonių suvažinėtas sniegas, nesudarantis sutrombuoto sniego ir ledo sluoksnio

0,24÷0,37

Nesuvažinėtas sniegas

Tik iškritęs ant asfalto sniegas, nesu­važinėtas transporto priemonių ratais – pirmasis pervažiavimas

0,15÷0,42

Sniegas ir ledas, padengtas tik iš­kritusiu sniegu

Suvažinėtas sniegas ir ledas, kurį den­gia tik iškritęs nesuvažinėtas iki 10 cm storio sniego sluoksnis

0,18÷0,45

5.2 lentelės pabaiga

Page 171: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

170

Sniegas ir ledas, sumaišytas su smėliu ir purvu

Suvažinėtas sniegas ir ledas, sumai­šytas su smėliu ir purvu, kurių detalių skersmuo 3÷6 mm

Priklausomai nuo purvo

kiekio (ma­žai – daug)0,15÷0,45

Sniegas ir ledas Ištisas sniego sluoksnis, suvažinėtas iki ledinio paviršiaus pavidalo 0,12÷0,39

Sniegas ir ledas prieš sankryžas

Ištirpintas stovinčių automobilių va­riklių bei užšalęs glotnaus paviršiaus sniegas, nupoliruotas stabdomų auto­mobilių ratų

0,09÷0,22

Gilus sniegas Toks gilus ir nepažeistas sniegas, kad transporto priemonė „sėda ant dugno“, bet neužstringa

0,92÷0.95

Sausas asfaltas žiemos sąlygomis

Niekuo nepadengtas sausas asfaltas žiemos sąlygomis 0,59÷0,72

Apšerkšnijęs as­faltas

Balta danga ant asfalto, matoma vai­ruotojui ir lengvai atpažįstama kaip šerkšnas

0,48÷0,58

Glotnus ledas Storas užšalusio vandens sluoksnis, nepažeistas dyglių ir grandinėlių 0,054÷0,19

Ledas ir padangos su grandinėmis

Storas nepažeistas užšalusio vandens sluoksnis važiuojant ratais su plieninė­mis grandinėmis

0,12÷0,18

„Juodas“ ledas Storas ištisinis ledo sluoksnis, atro­dantis kaip šlapia, juoda važiuojamoji dalis, sunkiai pastebimas vairuotojui

0,12÷0,26

5.3. Padangos modeliai

5.3.1. Lugre padangos modelis

Koncentruotų parametrų Lugre padangos modelisĮvertinami šie Lugre (LuGre) padangos modelio parametrai: norma­

linė jėga Fz ; išilginis sankybio koeficientas statikoje µc ir sankybio koe­ficientas, kai prasideda slydimas µs , padangos išorinio paviršiaus standu­mo σ0 ir slopinimo σ1 koeficientai, protektoriaus poslinkis z (5.10 pav.).

5.3 lentelės pabaiga

Page 172: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

171

5.10 pav. Lugre padangos modelio schema

Pagal Lugre padangos modelį padangos kontakte veikianti išilgi­nė sankybio jėga yra lygi:

F z dzdt

v Fx s z= + +

σ σ σ0 1 2 , (5.19)

dzdt

vvg v

zss

s= −

( )σ0 ,

g v es c s c( ) = + −( )( )−θ µ µ µ δ , δ =

vvs

str

0 5,

,

čia g vs( ) – Stribeckio funkcija; θ– parametras, įvertinantis padangos viršutinių sluoksnių įtaką θ =( )0 4 1, ... , vstr – Stribeckio greitis; vs – slydimo greitis,

v R vs R d= −ω , kai vyksta rato pagreitėjimas;v v Rs R d= −ω , kai vyksta rato stabdymas.ωR – rato kampinis greitis; Rd – dinaminis ratos spindulys; v –

rato linijinis greitis.Lugre modelio parametrų reišmės parodytos į 5.4 lentelėje.

5.4 lentelė. Lugre padangos modelio parametrų reikšmės

Parametras σ0 σ1 σ2 µc µs vstrReikšmė 40 4,9487 0,0018 0,5 0,9 12,5Vienetas 1/m s/m s/m – – m/s

Page 173: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

172

Vienmatis išskirstytų parametrų Lugre padangos modelisIšskirstytų parametrų Lugre padangos modelyje įvertinamas pa­

dangos protektoriaus poslinkio z t,ξ( ) kitimas laike ir išilgai padangos ir kelio kontakto (5.11 pav.).

5.11 pav. Išskirstytų parametrų Lugre padangos modelio schema

Kontakte slydimo greitis yra lygus:

v v Rs R d= −ω .

Išilginis santykinis slydimo koeficientas lygus:

s Rv

nkai R v

kai R vx

R dn

R d

R d

= −

=

− >

1

1

1ω ω

ω,

,

,kai .

Išskirstytų parametrų Lugre padangos modelio pagrindinės pri­klausomybės yra:

F dF tx x

L= ( )∫ ,ξ

0

, (5.20)

dF t z tdz tdt

v dF tx s z, ,,

,ξ σ ξ σξ

σ ξ( ) = ( ) + ( )+

( )0 1 2 , (5.21)

dz tdt

vvg v

z tss

s

,,

ξσ ξ

( )= −

( ) ( )0 , (5.22)

g v es c s c

vsvstr

( ) = + −( )−

µ µ µ γ , (5.23)

Page 174: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

173

čia L – padangos ir kelio paviršiaus kontakto ilgis.Protektoriaus poslinkio z diferencialas ir greitis yra lygūs:

dzz tt

dtz t

d=∂ ( )∂

+∂ ( )∂

, ,ξ ξξ

ξ ,

dz tdt

z tt

z t ddt

, , ,ξ ξ ξξ

ξ( )=∂ ( )∂

+∂ ( )∂

. (5.24)

Nagrinėdami padangos slydimą, sakykime, kadddt

Rd Rξ

ω= . (5.25)

Tada panaudoję priklausomybes (5.4.1.4), (5.4.1.6), (5.4.1.7), gausime

∂ ( )∂

+∂ ( )∂

= −( ) ( )z t

tz t

R w vvg v

z td R ss

s

, ,,

ξ ξξ

σ ξ0 . (5.26)

Sakykime, kad kontakto zonoje vertikali jėga yra kintama, jos di­ferencialas lygus:

dF f dz zξ ξ ξ( ) = ( ) . (5.27)

Tada padangos kontakte veikianti išilginė sankybio jėga yra lygi:

dF t z tdz tdt

v f dx s z

L, ,

,ξ σ ξ σ

ξσ ξ ξ( ) = ( ) + ( )

+

( )∫ 0 1 2

0

. (5.28)

Praktikoje naudojamos šios prispaudimo fz ξ( ) funkcijos:• Eksponentinė priklausomybė

f f ez zLξλξ

( ) =−

0 , kai λ ≥ 0 ; (5.29)

• Parabolės priklausomybė

f FL

LLz

zξξ( ) = −−

32

1 2 2

; (5.30)

• Sinuso priklausomybė:

f FL Lzzξ

π πξ( ) =

2

sin . (5.31)

Page 175: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

174

Kai padangos kontakte veikiantys greičiai R w v vd R s, , yra pa­stovūs, tada gauname, kad lokalinė koordinatės z išvestinė yra lygi

nuliui, t. y.∂ ( )∂

=z tt,ξ

0 ir lygtis, aprašanti z t,ξ( ) koordinatės kitimą

pagal išskirstytų parametrų Lugre padangos modelį, yra:

∂ ( )∂

= −( ) ( )z t

R w vvg v

z td R ss

s

,,

ξξ

σ ξ0 . (5.32)

Esant kraštinei sąlygai z t,ξ =( ) =0 0 , lygties sprendinys yra lygus:

z C eg v

sign vC ssξ

σξ( ) = −( ) ( ) ( )2

01 1 , (5.33)

čia Cg v

vR ws

s

d R2

0= −( )σ .

Nusistovėjusiam rato judėjimui dz tdt

,ξ( )= 0 , padangos kontakte

veikianti išilginė sankybio jėga Fx lygi:

F t z t v f dx s z

L( ) = ( ) +( ) ( )∫ σ ξ σ ξ ξ0 2

0, . (5.34)

Pastoviam prispaudimo jėgos pasiskirstymui, kai sumarinė verti­kali jėga lygi Fz0 , padangos kontakte veikianti išilginė sankybio jėga Fx yra lygi:

F CL

e g v sign v vx

LC

s s s= − −

( ) ( ) +

−1 12

22 σ

Fz0 , (5.35)

čia Cg v R w

vs d R

s2

0=

( )σ

.

Kai prispaudimo funkcija fz ξ( )yra pasiskirsčiusi pagal ekspo­nentės dėsnį (5.29), padangos kontakte veikianti išilginė sankybio jėga Fx yra lygi:

F LfLC

LC C v v Fxz

s s z=−( )

+( ) − +0

11 0 2 2 2 0λ λσ σ λσ

Page 176: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

175

Lf eLC

C LC e v LCz LCs

0

10 2 1 2 1

1−

−( )− −( ) + −( )

λ

λ λσ λ λ σ λ . (5.36)

Kai prispaudimo funkcija fz ξ( ) pasiskirsto pagal sinuso dėsnį (5.31), padangos kontakte veikianti išilginė sankybio jėga Fx yra lygi:

F FL C

L C C v v C exz

s sLC=

++( ) + + −( )

2

12 2

212

0 2 22

22

0 22 2 1

πσ σ π σ π σ .

(5.37)

Kai prispaudimo funkcija fz ξ( ) pasiskirsto pagal parabolės dėsnį (5.30) , padangos kontakte veikianti išilginė sankybio jėga Fx yra lygi:

F FL C

C LC L C C e LC v L Cxz LC

s= − + −( ) + −( ) +3

13 0 2 1

313

0 2 1 23

1312 6 6 21σ σ σ

.

(5.38)

Išskirstytų parametrų Lugre modelio parametrų reikšmės parody­tos 5.5 lentelėje.

5.5 lentelė. Išskirstytų parametrų Lugre padangos modelio parametrų reikšmės

Parametras σ0 σ1 σ2 µc µs vstrReikšmė 181,54 0 0,0018 0,8 1,55 12,5Vienetas 1/m s/m s/m – – m/s

5.3.2. Paceikos modelis

Mokslinkas Pacejka H.B. pasiūlė padangos modelį (Pacejka Magic Formula), kuriame įvertinami sekantys parametrai: normalinė jėga; išilginis santykinis slydimas; skersridės kampas; išvirtimo kam­pas. Pacejkos pateikta bedroji formulė nustatyti kontakte veikiančias jėgas priklauso nuo keturių parametrų (B, C, D, E) yra lygi:

y x Bx E Bx Bx( ) = − − ( )( )( )( )Dsin Carctg arctg , (5.39)

čia y x( ) – kontakte veikianti jėga arba momentas;

Page 177: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

176

Y X y x Sv( ) = ( ) + , x X Sh= + , (5.40)

čia: Sv, Sh – atitinkamo parametro postumis vertikale arba horizon­talia kryptimi; B, C, D, E – parametrai, kurie priklauso nuo modelio pagrindinių parametrų; X – argumentas (išilginis santykinis slydimas sx arba skersridės kampas α).

Parametrų B, C, D, E išraiškos yra lygios:

C bx= 0 ; D b F b Fz z= +( )1 2 ;

Bb F b F e

CDz z

b Fz

=+( ) −

32

45

, (5.41)

E = + +b F b F bz z62

7 8 ; S b F bh z= +9 10 ; Sv = 0.

Trijų parametrų sandaugą BCD lygi standumo koeficientui išilgine padangos kryptimi arba skersridės kampo kryptimi, atitinkamai.

Sankybio jėga veikianti išilgai padangos yra lygi:

F Bx x x x x= ( )( )D sin C arctg Φ , (5.42)

čia: Bx , Cx , Dx , Φ x parametrai nustatomi pagal tokias išraiškas:

Cx =1 65, ; D b b Fx x x z= +( )1 0 2 0Fz ;

Bb F b F e

C Dxx z x z

b F

x x

x z

=+( ) −

3 02

4 05 0

;

Ex x z x z xb F b F b= + +6 02

7 0 8 (5.43)

Φ x xx

xxE E

BB= −( ) − ( )1 σ σarctg ,

čia: σ λ=100 ; F Fz

z0 1000= ; Fz – vertikali jėga, N.

Sankybio jėgos Fx priklausomybė nuo išilginio santykinio slydi­mo koeficiento sx prie skirtingų vertikalių jėgų Fz parodytos 5.12 pav.

Page 178: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

177

5.12 pav. Jėgos Fx priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento λ prie skirtingų vertikalių jėgų Fz

Sankybio jėga veikianti padangos skersine kryptimi yra lygi:

F B Sy y x y y yv= ( )( ) +D sin C arctg Φ , (5.44)

čia: By , Cx, Dy, Φ y parametrai nustatomi pagal tokias išraiškas:

Cy =1 30, ; D b b Fy y y z= +( )1 0 2 0Fz ;

Bb b b F

C Dyy y y z

y y

=( )( )3 4 5 0sin arctg

; E y y z y z yb F b F b= + +6 02

7 0 8

S byh y= 9γ; S b F b Fyv y z y z= +( )102

11 γ (5.44)

Φ y y yhy

yhE S EB

B S= −( ) +( ) + +( )( )1 α αarctg

∆B b By y y= − 12 γ .

Sankybio jėgos Fy priklausomybės nuo skersridės kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz parodytos 5.13 pav. Sankybio jėgos Fy priklausomybės nuo skersridės kampo α prie skirtingų padangos iš­virtimo kampo γ parodytos 5.14 pav.

Page 179: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

178

5.13 pav. Jėgos Fy priklausomybė nuo skersridė kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz

5.14 pav. Jėgos Fy priklausomybė nuo skersridės kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz

Stabilizuojantis sukimo momentas yra lygus:

M B Sz m m m m mv= ( )( ) +D sin C arctg Φ , (5.45)

čia: Bm , Cm, Dm, Φm parametrai nustatomi pagal tokias išraiškas:

Cm = 2 40, ; D b b Fm m m z= +( )1 0 2 0Fz ;

Bb F b F e

C Dmm z m z

b F

m m

m z

=+( ) −

3 02

4 05 0

;

Page 180: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

179

Em x z m z mb F b F b= + +6 02

7 0 8;

S bmh m= 9γ ; S b F b Fmv m z m z= +( )102

11 γ;

Φm m mhm

mm mhE S E

BB S= −( ) +( ) + +( )( )1 α αarctg

∆B b By m m= − 12 γ ; ∆E Eb

Emm

mm=

−−

1 13 γ.

Stabilizuojančio momento Mz priklausomybės nuo skersridės kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz parodytos 5.15 pav.

5.15 pav. Jėgospriklausomybė nuo skersridės kampo prie skirtingų vertikalių jėgų

Koeficientų bij (i = x, y, m; j = 0..13) reikšmės parodytos 5.6 lentelėje.

5.6 lentelė. Koeficientų bij reikšmėsbx0 bx1 bx2 bx3 bx4 bx5 bx6 bx7 bx8 bx9 bx10 bx11 bx12 bx13

1,25 –21,3 1114 49,6 226,0 0,208 –0,006 –0,056 0,486 0,0 0,0 0 0,0 0,0by0 by1 by2 by3 by4 by5 by6 by7 by8 by9 by10 by11 by12 by13

1,30 –22,1 1011 1078 1,820 0,208 0 –0,354 0,707 0,028 0 14,80 0,022 0bm0 bm1 bm2 bm3 bm4 bm5 bm6 bm7 bm8 bm9 bm10 bm11 bm12 bm13

2,40 –2,72 –2,28 –1,860 –2,73 0,110 –0,070 0,643 –4,04 0,015 –0,066 0,945 0,030 0,070

Page 181: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

180

5.3.3. Hsri modelis

Greitkelio saugumo tyrimo instituto ( JAV) (Highway Safety Research Institute, USA) mokslininkai L. Segel, H. Dugoff, P. Favcher sukūrė padangos modelį, kuriame įvertinama: normalinė jėga; išilginis santykinis slydimas; išilginis ir kampinis kontakto standumas; sanky­bio koeficientas.

Išilginis santykinis slydimo koeficientas yra lygus:

s vR

kai nkai R v

kai R vx

x

R d

nR d x

R d x

= −

=

− <

1

1

ω

ω,

,

,(5.46a)

s Rv

kai nkai R v

kai R vx

R d

x

nR d x

R d x

= −

=

− >

1

1

1ω ω

ω,

,

,, (5.46b)

čia vx – išilgai padangos linijinis greitis; ω, Rd – padangos kampinis greitis ir dinaminis spindulys, atitinkamai.

Sankybio koeficientas išilgai padangos yra lygus:

µ µ α= − + ( )

max s x xA v s tg1 2 2

, (5.47)

čia: µmax – maksimalus sankybio koeficientas (statinis µmax = 0 83, ); As – koeficientas, įvertinantis sankybio koeficiento sumažėjimą

( As ≈ 0 0115, )Sankybio jėga, veikianti išilgai padangos, yra lygi:

FC kai H

CH H

kai H

»

»

x

z

z

F

F=

<

112

11 1

41

2

λλ

λ

,

,22

, (5.48)

o sankybio jėga, veikianti padangos skersine kryptimi, yra lygi:

FC tg kai H

C tgH H

y

z

z

F

F=

( ) <

( ) −

11

12

11 1

4 2

λλ

λ

α

α

,

, kai H 1

2

, (5.49)

Page 182: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

181

čia ∝ skersridės kampas; Cs , C∝ – standumo koeficientai išilgine padangos kryptimi ir skersridės kampo kryptimi, atitinkamai

C Cs = =∝

dFdS

dFd

x

x

y, ; H – modelio parametras,

H C C tgs=−( )

+

( )−( )

ss F F

x

x z z1 1

2 2

µαµ

α

λ. (5.50)

Kai H <12

, tai padangos ir kelio pavirčiaus kontakte egzistuoja

nedidelis sukibimas, o kai H ≥12

, tai kontakte egzistuoja sukibimas

(adhezija) ir slydimas.Kai išilginis santykinis slydimo koeficientas λ ir skersridės

kampas ∝ yra pakankamai dideli (vyksta didelis slydimas x ir y ašių kryptimis), tada kontakte veikiančias sankybio jėgas ( , )F Fx y galima nustatyti taip:

F s

sFx

x

x

R=( ) + ( )

C

C Cs

s2 2

αα;

Fs

Fx

R∝ =( ) + ( )

C

C Cs

α

α

α

α2 2 , (5.51)

čia F F FR x y= +02

02 , jėgos F Fx y0 0, nustatomos iš (5.48) ir (5.49)

išraiškų.

Sankybio jėgos, veikianti išilgai padangos Fx priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento λ prie skirtingų skersridės kampų α parodyta 5.16 pav.

Sankybio jėgos veikianti skersai padangos Fy priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento λ prie skirtingų skersridės kampų α parodyta 5.17 pav.

Page 183: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

182

Sankybio jėgos veikianti skersai padangos Fy priklausomybė nuo sankybio jėgos, veikiančios išilgai padangos Fx prie skirtingų skersridės kampų parodyta α 5.18 pav.

5.16 pav. Sankybio jėgos veikianti išilgai padangos Fx priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento sx prie skirtingų skersridės kampų

α , kai F Nz = 3000 ; Cs = 40000 N ; Cα =15000N rad/ ; v km valx = 60 /60 km/val.; As = 0 0115, ; µmax = 0 83,

5.14 pav. Sankybio jėgos veikianti skersai padangos Fy priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento sx prie skirtingų skersridės kampų

α α , kai F Nz = 3000 ; Cs = 40000N ; Cα =15000N rad/ ; v km valx = 60 / 60 km/val.; As = 0 0115, ; µmax = 0 83,

Page 184: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

183

5.15 pav. Sankybio jėgos veikianti skersai padangos Fy priklausomybė nuo sankybio jėgos veikiančios išilgai padangos Fx prie skirtingų skersridės kampų α α , kai F Nz = 3000 ; Cs = 40000 N ; Cα =15000N rad/ ;

v km valx = 60 / 60 km/val.; As = 0 0115, ; µmax = 0 83,

5.3.4. dugofo modelis

Dugofo modelis (1969) labai panašus į Pacejkos ir Šarpo padangų modelius. Dugofo modelyje priimta, kad padangos ir kelio sąveikos kontakto plote slėgis yra pastovus. Tačiau tokia priimta prielaida ne­sumažina šio padangos modelio efektyvumo, nes padangos standu­mai išilgai padangos ir skersridės kampo kryptimi yra nepriklausomi. Dugofo padangos medelyje įvertinama: normalinė jėga; išilginis san­tykinis slydimas; išilginis ir kampinis kontakto standumas; sankybio koeficientas.

Išilginis santykinis slydimo koeficientas yra lygus:

s

R vv

kai vyksta stabdymas

R vR

kai vyksta pagreix

d R x

x

d R x

d R

=

ω

ωω

,

, tt jimas

(5.52)

Sankybio jėga,veikianti išilgai padangos, yra lygi:

kai vyksta stabdymas

kai vyksta pagreitėjimas

Page 185: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

184

F ss

fxx

x

=+

( )Cλ σ

1, (5.53)

o sankybio jėga, veikianti padangos skersine kryptimi,yra lygi:

Fs

fyx

=∝( )

+

( )∝C

tg1

σ , (5.54)

čia σ – parametras, kuris yra lygus:

σα

=−( )

( ) + ( )( )µF s

C s C

z x

s x

1

2 2 2α tg

, (5.55)

funkcija f σ( ) yra lygi:

f σσ σ σ

σ( ) = −( ) <

2 11 1

,,

kaikai

, (5.56)

Cs , C∝ – standumo koeficientai išilgine padangos kryptimi ir skersridės kampo kryptimi, atitinkamai; µ – išilginis sankybio koefi­cientas; Fz normalinė jėga.

Panaudojant Dugofo padangos modelį, galima nustatyti trinties jėgų apskritimo paramatrus:

FF F

F

F Fx

x y

y

x y2 2

2

2 2

2

1+

+

+

= , (5.57)

čia Fssxx

x

=−

Cs 1

; Fsyx

=∝( )

∝C

tg1

. (5.58)

Sankybio koeficientas tada lygus:

µax y

z

F FF

=+2 2

. (5.59)

Kai parametras yra σ >1 , tada išilginio ir skersinio sankybio jė­gos yra mažesnės už jėgą µFz / 2 ir nustomos pagal (5.58) išraiškas.

Page 186: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

185

Kai parametras yra σ <1 , tada taškas jėgų apskritime yra už aps­kritimo ribų, tada išilginio ir skersinio sankybio jėgos nustatomos:

F F C s

C s Cx

z x

s xa

=( ) + ( )( )

µ λ

α α2 21

4tg

µµ

, (5.60)

FF C

C s Cy

z

s xa

=∝( )

( ) + ( )( )−

µ α

α α

tg

tg2 21

4µµ

. (5.61)

Jeigu µµ

< a

2, tada taškas jėgų apskritime yra už apskritimo ribų,

tada išilginio ir skersinio sankybio jėgos nustatomos:

F ssx sx

x a a

=−

C

11

4µµ

µµ

,

Fsyx a a

=∝( )

∝C

tg1

14

µµ

µµ

, (5.62)

Sankybio jėgos veikianti išilgai padangos Fx Fy priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento λ prie skirtingų skersri­dės kampų α parodyta 5.19 pav. ir 5.20 pav.

5.17 pav. Jėgos Fx priklausomybė nuo išilginio santykinio slydimo koeficiento λ prie skirtingų vertikalių jėgų Fz , kai kampų α = 0 1, rad ,

kai Cλ = 40000 N ; Cα =15000N rad/ ; µ = 0 10,

Page 187: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

186

5.17 pav. Sankybio jėgos veikianti skersai padangos Fy priklausomybė nuo skersridės kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz ,

kai Cλ = 40000 N ; Cα =15000N rad/ ; λ = 0 10, ; µ = 0 10,

5.3.5. elastingos padangos modelis

Elastingos padangos modelį sukūrė Fiala (Fiala, 1954). Detalus elastingos padangos modelio pristatymas pateiktas R. Rajamani kny­goje „Transporto priemonių dinamika ir valdymas“ (Springer, 2006).

Elastingos padangos modelis vienas iš paprasčiausių padangos modelių, tačiau juo remiantis galima gauti įvairių padangos charak­teristikų. Esant nedideliam skersridės kampui α, kontakte padanga deformuojasi skersine kryptimi. Kontakte padanga nagrinėjama kaip tamprus kūnas, kurio standumo koeficientas skersine kryptimi, ten­kantis ilgio vienetui, yra k xy ( ) , skersinis poslinkis – γ x( ) 5 (18 pav.). Bendras kontakto ilgis yra 2a , o kontakto plotis – 2b. Kontakte sker­sinis poslinkis yra lygus:

γ αx sx x( ) = = ( )tg , (5.63)

čia α – skersridės kampas.Kontakte veikianti elementari skersinė jėga lygi:

dF k x dxy y= ( )γ (5.64)

ir, suintegravę pagal kontakto ilgį 2a , gausime kontakte veikiančią skersinę jėgą ir stabilizavimo momentą:

Page 188: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

187

F k x dx k sxdx k say y

a

y

a

y= ( ) = =∫ ∫γ0

2

0

222 , (5.65)

M k x x a dx k sx x a dx k sa F az y

a

y

a

y y= ( ) −( ) = −( ) = =∫ ∫γ0

2

0

232

3 3. (5.66)

Standumo koeficientas skersridės kampo kryptimi yra lygus:

CdFd

k ayyα α

= = 2 2 . (5.67)

5.21 pav. Elstingos padangos modelio schema

Esant dideliam skersridės kampui, slėgis kontakte yra pastovus:

p x Fa b

z( ) = ( )( )µ

2 2. (5.68)

Maksimali skersridės jėga gali pasiekti dydį µFz .

Page 189: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

188

Kontakte slydimo nėra, kai įvykdoma sąlyga:

2ak x Fy zγ µ( ) ≤ . (5.69)

Iš (5.69) sąlygos plaukia, kad maksimalus skersinis poslinkis ly­gus:

γµ

max =Fakz

y2. (5.70)

Nagrinėjamas atvejis, kad skersinis poslinkis yra didesnis už maksimalų poslinkį γmax (5.22 pav.):

γγ

γx x

x x

x x as

s

s

( ) =≤ ≤

≤ ≤

max

max

,

,

0

2

, (5.71)

čia xs – kontakto taškas, kuriame prasideda slydimas.

Skersridės jėga lygi:

F k x dx kx

xdx k dxy y

a

ys

yx

ax

s

s= ( ) = + =∫ ∫∫γ

γγ

0

2 2

0

maxmax

12

2γ γmax maxk x k a xy s y s+ −( ) . (5.72)

Sakykime, kad

tg αγ( ) = =sxsmax ,

xs

Fak ssz

y= =γ µmax

2. (5.73)

Tada skersridės (5.72) jėga yra lygi:

F FFa k sy zz

y= −

( )µ

µ 2

28. (5.74)

Page 190: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

189

5.22 pav. Skersinis poslinkis ir slydimo zona

Stabilizavimo momentas yra lygus:

M k x x x dx kx

x dx k xadxz y s

a

ys

x

yx

s

s

= ( ) −

= − =∫ ∫γ

γγ

120

22

0

maxmax

22a∫

56

12

22 2k x k ay s yγ γmax max− . (5.75)

M k a x k xFk as

Fa k sz y s y s

z

y

z

y= − =

( )−

( )12

16 8 48

22 3

3 2 2γ γµ µ

max max . (5.76)

Sakykime, kad kontakte slėgis pasiskirsto pagal parabolės dėsnį

p x p ua

( ) = −

0

2

1 , u a x= − . (5.77)

Vertikali jėga, veikianti kontakte, yra lygi:

F bp u du bp aza

a= ( ) =−∫ 2 8

3 0 . (5.78)

Ir slėgio konstantą galima nustatyti iš (5.78):

p Fbaz

038

= .

Galutinė slėgio pasiskirstymo kontakte funkcija yra lygi:

Page 191: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

190

p x Fba

a xa

Fba

x a xz z( ) = −−

= −( )( )3

81 3

82

2

3 . (5.79)

Įveskime skersinio standumo į ploto vienetą koeficientą kya N/m3:

kkbyay=

2. (5.80)

Tada galioja ryšis:

k x p xyaγ µ( ) = ( )slydimas ,

k x Fba

x a xyazγ ( ) = −( )( )slydimas

38

23 , (5.81)

θµ

=4

3

2ba kFya

z; γ

θx

ax a x( ) = −( )( )slydimas

12

2 .

Taške xs prasideda slydimas

γθ

x sxa

x a xs s s s( ) = = −( )( )12

2 ;

x a ss = −( )2 1 θ . (5.82)

Slydimo sritis yra x x as < ≤ 2 .

Skersridės jėga lygi:

F b k xxx

dx bkax a x dxy ya

s

s

xya

x

as

s

=( )

+ −( ) =∫ ∫2 22

20

2γθ

86

12

12

3 3 3bk aa

xa

F xa

ya sz

µ−

= −

,

bet x a ss = −( )2 1 θ , tada skersridės jėga lygi:

F F sy z= − −( )( )µ θ1 1 3 . (5.83)

Page 192: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

191

Kai 0 2< ≤x as ,

tada s ≤ 1θ

ir F Fy z< µ , (5.84a)

o kai s = 1θ

, tada F Fy z= µ . (5.84b)

Kai s ≥ 1θ

, tada

F F sign sy z= µ ( ) (5.84c)

yra pilnas slydimas.Galutinės skersridės jėgos priklausomybės, kai slėgis pasiskirsto

pagal parabolės dėsnį, yra:

FF s s

F sign s sy

z

z

=− −( )( ) ≤

>

µ θθ

µθ

1 1 1

1

3 ,

( ) , (5.85)

čia θµ

=4

3

2ba kFya

z.

Stabilizavimo momentas lygus:

kai s > 0 ,

M b F a x dx F a xa

xaz y

a

a

zs s= − −( ) =

−∫2

21

2

3

µ , (5.86a)

Esant sąlygai F Fy z≤ µ ;

kai s > 1θ

, Mz = 0; (5.86b)

kai s ≤ 1θ

,

M F a s s s sz z= − ( ) + ( ) − ( )( )µ θ θ θ θ3 32 3 4 . (5.86c)

Page 193: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

192

Pagal Pacejka ir Šarpa (1991), bendroji kontakte veikianti jėga yra lygi:

FF s kai

F kai

z m

z m

=− ( ) + ( ) − ( )

>

µ σθ θσ θσ θ σ σ

µ σ σ

3 13

3 127

32 3 4 ,

,

čia σθm =1θ

µ=

43

2ba kFya

z; σ σ σ= +x y

2 2 , (5.87)

σm – slydimo pradžios koeficientas.Kontakte veikiančios jėgos yra lygios:

F Fxx=

σσ

; F Fyy=

σ

σ, (5.88)

čia σωωx

d R x

d R

R vR

=−

– pagreitėjimas;

σω

xd R x

x

R vv

=−

– stabdymas; (5.89)

σω

αyx

d R

vR

tg= ( ) .

5.3.6. kiti padangos modeliai

Mokslininkai M. Nagai, S. Yamatak ir Y. Hirano pasiūlė paprastą priklausomybę nustatyti padangos sankybio jėgą, veikiančią padangos skersine kryptimi:

F K FFCy x z

z

=

22π

µπµ

ααarctg , (5.90)

čia ∝ , – skersridės kampas; Kx , – koeficientas, įvertinantis išilginės jėgos įtaką; C∝ – standumo koeficientas skersridės kampo kryptimi,

atitinkamai C∝ = ∝

dFd

y ; µ – išilginis sankybio koeficientas.

Sankybio jėgosFy priklausomybės nuo skersridės kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz parodytos 5.23 pav.

Page 194: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

193

5.23 pav. Jėgos Fy priklausomybė nuo skersridės kampo α prie skirtingų vertikalių jėgų Fz, kai Kx = 9; C∝ =103rad N/ µ = 0 1,

PenkTo skyriaus LiTeraTūraAndrejewski, R. 2010. Dynamika pneumatycznego kola jednego Naukowo-

Techniczne. Warszawa.Canudus, de Wit C.; Tsiotras, P.; Velenis, E.; Basset, M.; Gissenger, G.

Dynamic Friction Model for Road/Tire Longitudinal Interaction. Vehicle system dynamics. October 14, 2002.

Dugoff, H.; Fanchrer, P. S.; Segel, L. Tire Performance Characteristics Affecting Vehicle Response to Steering and Braking Control Inputs. Highway Safety Research Institute, University of Michigan, Ann Arhor (1969) Final Report National Bureau of Standarts Contact CST-460.

Nagai, M.; Yamatak, S.; Hirano, Y. 1996. Integrated Control Law of Active Rear Steering Control. In Proc. 3rd International Symposium on Advanced Vehicle Control. 451–469 p.

Pacejka, H. B.; Sharp, R. S. 1991. Shear Force Generation by Pneumatics Tyres in Steady State Conditions: a Review of Modeling Aspects. Vehicle system dynamics, 20, 121–176 p.

Rajesh Rajamani. 2006. Vehicle Dynamics and Control. Springer.Reza, N. Jazar. 2008. Vehicle Dynamics: Theory and Applications. Springer.

Page 195: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

194

6. geLežinkeLio aširačio sąveikos su Bėgiu Teorijos

6.1. Herco ir kalkerio teorija

Tampriųjų kūnų tarpusavio kontakte veikiantys įtempimai nusta­tomi panaudojant Herco sukurtą teoriją. H. Hercas (Heinrich Hertz) (1857–1894) – vokiečių fizikas. Jis patikslino šviesos teoriją ir pirma­sis įrodė elektromagnetinių bangų egzistavimą.

Dviejų tampriųjų kūnų kontakte veikia tangentiniai τ τzx zy, ir nor­maliniai σzz įtempimai. Kai vyksta dviejų kūnų slydimas vienas kito atžvilgiu, kontakte tam tikruose taškuose atsiranda slydimas, t. y. dviejų kūnų kontakto taške kūnų greičiai yra skirtingi. Tarp dviejų kūnų trin­ties jėga nelygi nuliui, kai yra tarp kūnų kontaktas, kūnų greičiai yra skirtingi ir prispaudimo jėga nelygi nuliui. Todėl kontakto plote atsi­randa trinties jėgos ir šių jėgų momentas. Nagrinėjant aširačio ir bėgio paviršiaus sąveiką, panaudojant Herco teoriją, reikia žinoti kreivumo kūnų spindulius. Aširačio ir bėgio geometrija yra gana sudėtinga, t. y. kiekvieno kūno paviršiuje kreivumo spindulys yra kintamas 6.1 pav.

6.1 pav. Bėgio ir aširačio geometrija ir sąveika

Page 196: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

195

Aširačio ir bėgio kontakto geometrija – elipsė, kurios pusašės yra a ir b. Priklausomai nuo judėjimo sąlygų, aširačio ir bėgio kontakte at­siranda sritys, kuriose nėra slydimo ir yra nedidelis slydimas 6.2 pav.

6.2 pav. Aširačio ir bėgio kontakto geometrija ir slydimo ir sukibimo sritys

Aširačio ir bėgio kontakto centre įvedama koordinačių sistema x y zk k k, , . Ašis xk nukreipta aširačio judėjimo kryptimi, zk nu­kreipta statmenai bėgio paviršiui, o yk – statmena plokštumai, kurią sudaro xk ir zk ašys. Iš koordianačių centro kiekvienos ašies kryptimi nukreipti vienetiniai vektoriai e e e

1 2 3, , , be to, galioja priklausomybė e e e

2 1 3= × .Įvesime kreivumo spindulius: R RR B1 1, ir R RR B2 2, . Aširačio spin­

duliai: R RR R1 2, ir bėgio spinduliai: R RB B1 2, . Spinduliai su indeksu „1“ guli plokštumoje, kurią sudaro vienetiniai vektoriai e e

1 3, , spindu­liai su indeksu „2“ guli plokštumoje, kurią sudaro vienetiniai vektoriai e e

1 2, .Kontakto ploto pusašių reikšmės yra lygios:

Page 197: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

196

a mF

E A Bz=

−+( )

3 1 23 ( )ν

; b nF

E A Bz=

−+( )

3 1 23 ( )ν

, (6.1)

čia Fz – prispaudimo jėga; A B, – parametrai, kurie yra lygūs:

AR RR B

= +1 1

2 2; B

R RR B= +

1 1

1 1; (6.2)

m, n – Herco parametrai, kurie priklauso nuo kampo ϑ :

ϑ =−+

arr A BA B

cos( ) (6.3)

0 2

2

2

≤ ≤ >

= =

< ≤ <

ϑ

ϑ

ϑ π

π

π

π

,

,

,

tai a b

tai a b

tai a b

ir nustatomi iš 6.1 lentelės; E – tamprumo modulis; ν – Puasono koefi cientas.

Kai aširačio ir bėgio medžiagų mechaninės savybės yra skirtin­gos, tada tamprumo, šlities moduliai ir Puasono koeficiento atitinka­mos išraiškos yra lygios:

G E=

+( )2 1( ν; 1 1

21 1

G G GR B= +

; G G G

G GR B

R B=

+; (6.4)

ν ν νG G G

R

R

B

B= +

12

; 1 14

1 12−=

−+

ν ν νE G G

R

R

B

B

.

Kontakte veikiančios sankibio jėgos ir momentas yra lygūs:

f dAxk zxA

= ∫ τ ; f dAyk zyA

= ∫ τ ; M x y dAzk zy k zx kA

= ( )−∫ τ τ . (6.5)

Pagal Herco teoriją, kontakte veikiantis slėgis pasiskirsto pagal dėsnį (6.3 pav.):

Page 198: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

197

p x y Fab

xa

ybk k

z k k,( ) = −

32

12 2

π (6.6)

6.3 pav. Slėgio pasiskirstymas aširačio ir bėgio kontakte: F KNz =120

6.1 lentelė Herco kontakto teorijos parametrų reikšmės

q m n g=b/a=n/m q m n g=b/a=n/m

0 ∞ 0 0 90 1 1 10,5 61,40 0,1018 0,00166 95 0,944 1,061 0,8901 36,89 0,1314 0,00356 100 0,893 1,128 0,792

1,5 27,48 0,1522 0,00554 105 0,846 1,202 0,7042 22,26 0,1691 0,00760 110 0,802 1,284 0,6253 16,50 0,1964 0,0119 115 0,759 1,378 0,5514 13,31 0,2188 0,0164 120 0,717 1,486 0,4836 9,79 0,2552 0,0261 125 0,678 1,611 0,4218 7,86 0,2850 0,0363 130 0,641 1,754 0,36510 6,604 0,3112 0,0471 135 0,604 1,926 0,31420 3,813 0,4123 0,108 140 0,567 2,136 0,26530 2,731 0,493 0,181 145 0,530 2,397 0,22135 2,397 0,530 0,221 150 0,493 2,731 0,18140 2,136 0,567 0,265 160 0,4123 3,813 0,108

Page 199: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

198

45 1,926 0,604 0,314 170 0,3112 6,604 0,047150 1,754 0,641 0,365 172 0,2850 7,86 0,036355 1,611 0,678 0,421 174 0,2552 9,79 0,026160 1,486 0,717 0,483 176 0,2188 13,31 0,016465 1,378 0,759 0,551 178 0,1964 16,50 0,011970 1,284 0,802 0,625 178 0,1691 22,26 0,0076075 1,202 0,846 0,704 178,5 0,1522 27,48 0,0055480 1,128 0,893 0,792 179,0 0,1314 36,89 0,0036585 1,061 0,944 0,890 179,5 0,1018 61,40 0,0016690 1,00 1,00 1 180 0 ∞ 0

Pagal Kalkerio teoriją, kontakte veikiančių jėgų vektorius yra lygus:

F H Vk s = −[ ] , (6.7)

čia F F F Mk xk yk zkT = ; Vs – slydimo greičių vektorius;

Hf

f ff f

[ ] =−

11

22 23

23 33

0 000

;

f abGCf abGC

f ab GC

f ab GC

11 11

22 22

233 2

23

332

33

==

= ( )= ( )

; (6.8)

Cij – Kalkerio parametrai, C C a bij ij= ( ),ν nustatomi iš 6.2 len­telės.

6.1 lentelės pabaiga

Page 200: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

199

6.2 lentelė. Kalkerio Cij parametrai

C11 C22 C23 C33

g n=0 0,25 0,5 0 0,25 0,5 0 0,25 0,5 0 0,25 0,5

a/b

0,0π ν2 4 1/( ( ))− ≠2 4/ π ν

νg /( ( ))

[ ( / ln )]3 1

1 2 4 5− ⋅

+ + −Λ π ν2 16 1/( ( ) )− g

0,1 2,51 3,31 4,85 2,51 2,52 2,53 0,33 0,473 0,73 6,42 8,28 11,70,2 2,59 3,37 4,81 2,59 2,63 2,66 0,48 0,603 0,81 3,46 4,227 5,660,3 2,68 3,44 4,80 2,68 2,75 2,81 0,61 0,715 0,89 2,49 2,96 3,720,4 2,78 3,53 4,82 2,78 2,88 2,98 0,72 0,823 0,98 2,02 2,32 2,770,5 2,88 3,62 4,83 2,88 3,01 3,14 0,83 0,929 1,07 1,74 1,93 2,220,6 2,98 3,72 4,91 2,98 3,14 3,31 0,93 1,03 1,18 1,56 1,68 1,860,7 3,09 3,81 4,97 3,09 3,28 3,48 1,03 1,14 1,29 1,43 1,50 1,600,8 3,19 3,91 5,05 3,19 3,41 3,65 1,13 1,25 1,40 1,34 1,37 1,420,9 3,29 4,01 5,12 3,29 3,54 3,82 1,23 1,36 1,51 1,27 1,27 1,27

b/a

1,0 3,40 4,12 5,20 3,40 3,67 3,98 1,33 1,47 1,63 1,21 1,19 1,160,9 3,51 4,22 5,30 3,51 3,81 4,16 1,44 1,59 1,77 1,16 1,11 1,060,8 3,65 4,36 5,42 3,65 3,99 4,39 1,58 1,75 1,94 1,10 1,04 0,950,7 3,82 4,54 5,58 3,82 4,21 4,67 1,76 1,95 2,18 1,05 0,97 0,850,6 4,06 4,78 5,80 4,06 4,50 5,04 2,01 2,23 2,50 1,01 0,90 0,750,5 4,37 5,10 6,11 4,37 4,90 5,56 2,35 2,62 2,96 0,96 0,82 0,650,4 4,84 5,57 6,57 4,84 5,48 6,31 2,88 3,24 3,70 0,91 0,75 0,550,3 5,57 6,34 7,34 5,57 6,40 7,51 3,79 4,32 5,01 0,87 0,67 0,450,2 6,96 7,78 8,82 6,96 8,14 9,79 5,72 6,63 7,89 0,83 0,60 0,340,1 10,7 11,7 12,9 10,7 12,8 16,0 12,2 14,6 18,0 0,80 0,53 0,23

Aširačio ratų (kairiojo ir dešiniojo) kontakte su bėgiais slydimo greičiai lygūs:

V A V A A rskT

c cT

ck = [ ] + [ ][ ][ ] 31 31 31ω , (6.9a)

V A V A A rsdT

c cT

cd = [ ] + [ ][ ][ ] 31 31 31ω , (6.9b)

čia Vc – aširačio masių centro greičių vektorius bendroje koordina­čių sistemoje; ωc[ ] – antisimetrinė matrica, sugeneruota iš aširačio masių centro kampinio greičio vektoriaus ω ϕ ϕc = −[ ] 1 3Ω ,

Page 201: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

200

ωϕ

ϕ ϕϕ

c[ ] =− −

00

0

3

3 1

1

Ω

Ω; ϕ1 , , ϕ3 – aširačio kampiniai greičiai

apie Xc , Yc ir Zc ašis, atitikamai;

A31[ ] – koordinačių transformacijos matrica,

A A A31 3 3 1 1

3 3

3 3

00[ ] = ( ) ( ) =

( ) − ( )( ) ( )ϕ ϕϕ ϕϕ ϕ

cos sinsin cos

00 0 1

1 0 000

1 1

1 1

( ) − ( )( ) ( )

cos sinsin cos

ϕ ϕϕ ϕ

;

rck , rd – aširačio kairiojo ir dešiniojo ratų kontakto vektoriai užrašyti aširačio koordinačių sistemoje,

r a Rck Rk = − −[ ]0 ; r a Rcd Rd = −[ ]0 .

6.2. euristinis netiesinis modelis

Euristinis netiesinis aširačio ir bėgio sąveikos modelis buvo su­kurtas mokslininkų Z. Shen, J. Hendrick, J. Elkins (1983). Pirmu pri­artėjimu sankybio jėgos skaičiuojamos panaudojant tiesinį Kalkerio modelį (6.7), t. y.

FFF

M

H Vk

xk

yk

zk

s =

= −[ ] .

Po to skaičiuojama atstojamoji jėga:

F F Fxk ykΣ = +2 2 . (6.10)

Slydimo jėga yra lygi:

FF F

FFF

FF

F F

sz

z z z

z

=−

+

>

µµ µ µ

µ

Σ Σ Σ

Σ

13

127

3

2 3

, µµ

µ

F

kai F F

z

z

≤, Σ 3 , (6.11)

Page 202: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

201

čia µ – trinties koeficientas,

µ µ ε= −( ) −

−0 1 A e AB , (6.12)

čia µ0 – statinis trinties koeficientas, ε – kontakto taško bendras santykinis slydimas, ε = 0 0 2... , ; A B, – parametrai,

A = ∞µµ0

, ( A B= = =0 4 0 60 0 550, ; , ; ,µ , kai sausa trintis;

A B= = =0 4 0 20 0 300, ; , ; ,µ , kai drėgnas paviršius).

Pagal euristinį netiesinį modelį sankybio jėgos lygios:

F FFFxkN

sxk=

Σ; F

FFFykN

syk=

Σ. (6.13)

6.3. Miulerio modelis

Pagal Miulerio modelį sankybio jėgos lygios:

F Fx x xy= −ξ ; F Fy y xy= −ξ , (6.14)

čia ξx , ξy – santykiniai slydimai x ir y ašių kryptimis,

ξxx

cx

VV

= ; ξyy

cx

VV

= ; (6.15)

Vcx – aširačio masių centro judėjimo greitis ; Vx , Vy – greičiai kontakto taške;

F K

KP

xyc

cm m

=

+

1000

1

µ

; P Fz= −10 3 ; (6.16)

K P P Pc = − −( ( , , ))235 2 4 0 01 .

Page 203: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

202

6.4. kitos aširačio sąveikos su bėgiu teorijos

Kairysis ir dešinysis bėgių paviršiai suskaidyti į tam tikrą skaičių erdvinių devynių mazgų izoparametrinių baigtinių elementų (6.4 pav.).

6.4 pav. Bėgio R65 paviršius

Aširačio rato profilis aproksimuojamas tam tikrų taškų skaičiumi. Priklausomai nuo aširačio padėties geležinkelyje ieškoma kiekvieno rato profilio penetracija ∆P į bėgio paviršių (6.5 pav.).

Page 204: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

203

6.5 pav. Aširačių ir bėgio R65 sąveika

Suradus rato profilio taško P penetraciją ∆P , normalinė bėgio profiliui jėga, veikianti aširatį, lygi:

F kN Pn= ∆ , (6.17)

čia k – bėgio standumas; n – laipsnio rodiklis, n=3/2 (pagal Herco teoriją). Kairiojo kontakto jėgos dedamosios, užrašytos aširačio koor­dinačių sistemoje, yra lygios:

Page 205: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

204

F FYK N N= cos( )α ; F FZK N N= sin( )α , (6.18)

čia αN – kampas tarp normalės, pravestos bėgio paviršiui, ir aši­račio rato Y ašies.

Aširačio kairiojo rato ir bėgio kontakto taške P veikiančios trin­ties jėgos yra lygios:

FT sign kai

kaiTRXK

KK K=

− ( ) ≠

=

εε

ε ε

ε

11 0

0 0

,

,, (6.19)

FT sign kai

kaiTRYK

KK K=

− ( ) ≠

=

εε

ε ε

ε

22 0

0 0

,

,, (6.20)

čia ε ε1 2K K, – kontakto taško santykinis slydimas X ir Y ašimis

ε11

KXK

C

vv

= ; ε21

KYK

C

vv

= ; ε ε ε= +iK K2

22 ; (6.21)

vC1 – aširačio masių centro greitis; v vXK YK, – kontakto taške P aširačio greičiai.

i-ojo aširačio kairiojo rato kontakto su bėgiu taške P greičio vek­torius lygus:

vvvv

q A rP

XK

YK

ZK

Vi Vi KP =

= + ( )

ϕ , (6.22)

čia rKP – vektorius nuo aširačio masių centro iki kontakto taško P.

Kontakto taške veikianti trinties jėga lygi

T F

FF

K

z

=

( )+

+

εεµ

1

1 14

1 4/

, (6.23)

Page 206: TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKAdspace.vgtu.lt/bitstream/1/1450/1/1393-S_Bogdevicius...dinamika – mechanikos dalis, kurioje nagrinėjamos kūnų ju dėjimo greičio kitimo priežastys

205

čia F F F Fz z z= − ⋅ + ⋅− −235 2 40 10 0 01 103 2 6 3, , ; µ – trinties koeficien­tas.

šešTo skyriaus LiTeraTūraPolach, O. 2005. Creep Forces in Simulations of Traction Vehicles Running

on Adhesion Limit. Wear, 258. 992–1000 p.Popp, K.; Schiehlen, W. 1993. Ground Vehicle Dynamics.