Эффект шимми

Теория

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

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

Шимми обычно ассоциируется с деформацией (резиновых) шин. Однако это также может наблюдаться в недеформируемых (например, стальных) колесах. Это явление можно объяснить введением многокомпонентных сил сухого трения, помимо обычных сил, рассмотренных в литературе.

Другое объяснение заключается в том, что колебание скорости — это бифуркация Хопфа , при которой система переходит из одного состояния (стабильная поездка) во второе состояние (колебания постоянной амплитуды), когда один параметр (скорость движения вперед или воздушная скорость) проходит через критическую точку. .

Физика явления

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

Пример системы «пружина-груз».

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

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

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

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

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

Борьба с шимми

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

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

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

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

История

В 1917 году была опубликована танцевальная песня Спенсера Уильямса «Шим-ме-ша-Ваббл» , а также «Джазовый танец», в который, среди прочего, входила «Шимми-Ше». Шимми также означает «неряшливый дресс-код».

Джильда Грей, приписываемая американским индейцам в интервью журналу Variety в 1919 году, сказала: «Вы можете не поверить в это, но оригинальный танец шимми никогда не был должным образом представлен в Нью-Йорке. Я знаю, потому что я изучал танцевальные особенности индейцев в течение долгого времени. и они действительно несут ответственность за шимми, который они назвали «Сима Шива». Со стороны этого и другого танцора были постоянные усилия, каждый из которых заявлял, что его или ее версия является «оригинальной». Нет сомнений в том, что танец шимми, созданный американскими индейцами … имел бы большую популярность, если бы все было сделано правильно «.

« I Wish I Could Shimmy Like My Sister Kate » — это динамичная танцевальная джазовая песня, написанная Кларенсом Уильямсом и Арманом Пироном и опубликованная в 1919 году. С тех пор она пользуется популярностью, исполняется и записывается многими артистами.

Флапперы часто исполняли танец в 1920-х годах. Происхождение имени часто приписывают Гильде Грей , польской эмигрантке в Америку. В одном анекдоте говорится, что когда ее спросили о ее танцевальном стиле, она ответила с сильным акцентом: «Я трясу сорочку ». В интервью Гильда отрицала, что сказала это, и записаны более ранние употребления этого слова. В конце 1910-х годов изобретателями шимми приписывались и другие, в том числе Би Палмер и джазовый дуэт Фрэнк Хейл и Сигне Патерсон. Мэй Уэст в своей автобиографии « Доброта не имела ничего общего с этим» утверждала, что переименовала «Шимми-Шоббл» в «Шимми» после того, как увидела движения в некоторых черных ночных клубах.

Этот танец часто считался непристойным, и в 1920-х годах его часто запрещали в танцевальных залах.

Этот ход известен и в цыганских танцах. По-русски это движение называется « Цыганочка », или «цыганка», и выполняется цыганками-танцовщицами для изготовления звона декораций костюмов, сделанных из пришитых монет.

Танцевальный прием с таким названием используется в различных современных танцах.

В начале 1960-х годов несколько танцевальных песен с участием Шимми стали хитами, в том числе « Shimmy, Shimmy » Бобби Фримена, « Shimmy Like KateОлимпийских игр и « Shimmy Shimmy Ko-ko BopLittle Anthony & the Imperials .

Эффект шимми на двухколесных транспортных средствах

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

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

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

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