Главная | Обратная связь

Увод колеса и поворачиваемость автомобиля

8.2.1. Увод колеса

При прохождении автомобилем поворота возникающая боковая сила Р_удействует на весь автомобиль, в том числе и на колеса, которые находятся в контакте с дорогой. Так как колеса автомобиля снабжены эластичными шинами, то боковая сила Р_увызовет деформацию шин в зоне контакта колес с дорогой.

Допустим, что к оси равномерно и прямолинейно катящегося колеса приложена боковая сила, перпендикулярная его плоскости качения (рис. 8.1). Под действием этой силы в плоскости дороги возникает равная ей боковая реакция R_y. В результате совместного действия Р_yи R_yпроисходит деформация упругой шины. Деформируется и беговая дорожка. Если бы не было деформации шины, то беговая дорожка оставляла бы на плоскости дороги прямолинейный след аб, являющийся линией пересечения плоскости качения колеса с плоскостью дороги. Однако в результате боковой деформации шины точки следа получают смещение, и линия следа авбудет наклонена к линии абпод некоторым углом δ_ув увода.

Отклонение вектора скорости эластичного колеса от плоскости его вращения при действии любой по величине боковой силы, называется боковым уводом(или просто уводом), а угол между этим вектором и плоскостью вращения — углом увода.

Рис. 42 – Увод колеса

 

Боковая сила, вызывающая увод, может быть связана с углом увода соотношением:

(8.7)

где к_ув- коэффициент сопротивления уводу, показывающий – какую по величине поперечную силу надо приложить к колесу, чтобы оно катилось с углом увода, равным 1 рад.

Для малых углов увода (до 6°) коэффициент к_ув приближенно можно считать постоянным. Для легковых автомобилей к_увот 15 до 40 Н/рад, а для грузовых автомобилей и автобусов от 30 до 100 Н/рад.

Коэффициент к_увможно считать постоянным лишь приближенно. Увеличение вертикальной нагрузки и давления воздуха в шинах сопровождаются повышением сопротивления уводу. При возникновении увода происходит деформация шины в радиальном и попе­речном направлениях, в результате чего возрастает внутреннее трение в шине. При больших же углах увода начинается скольжение протектора по дороге. Результатом этого является то, что сила, необходимая для качения колеса с уводом должна быть больше, чем для его качения без увода.

Увод колеса без скольжения по дороге возможен только до тех пор, пока боковая сила Р_у , приложенная к колесу не превысит его сцепные возможности.

8.2.2. Поворачиваемость автомобиля

Свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес называется поворачиваемостью автомобиля. Поворачиваемость проявляется в результате бокового увода колес вследствие эластичности шин или поперечного крена кузова вследствие эластичности подвески. Поэтому различают поворачиваемость шинную и креновую.

 

Если в автомобиле с жесткими шинами центр поворота находится в точке О (рис. 8.2) пересечения продолжения осей передних и задних колес, то у автомобиля с эластичными шинами центр по ворота будет находиться в точке О, пересечения перпендикуляров к векторам v₁и v₂скоростей соответственно переднего и заднего мостов. Тогда

(8.8)

где δ₁ и δ₂ - углы увода соответственно переднего и заднего мостов; р_э — радиус поворота автомобиля с эластичными шинами; L— база автомобиля.

Рис. 43 – Схема движения автомобилей с различной поворачиваемостью: а – нейтральная, б – недостаточная, в- избыточная

 

Так как углы θ, δ₁ и δ₂ обычно невелики, то:

(8.9)

Для автомобиля с жесткими шинами δ₁ = δ₂ = 0, и для радиуса поворота справедлива формула

где р — радиус поворота автомобиля с жесткими шинами.

Таким образом, траектория движения автомобиля с жесткими шинами зависит только от угла 9 поворота управляемых колес. У автомобиля с эластичными шинами на нее влияют углы δ₁ и δ₂. Кривизна траектории зависит от соотношения углов δ₁ и δ₂. Если δ₁ = δ₂, то это называется нейтральной поворачиваемостью.При этом, согласно формуле (8.9) р_э = р, однако траектория движения автомобиля с эластичными шинами не совпадает с траекторией движения автомобиля, имеющего нейтральную поворачиваемость, так как центры поворота в этих случаях занимают различные положения.

При действии поперечной силы на автомобиль с жесткими шинами он будет сохранять свое прежнее направление движения, пока обеспечивается его устойчивость по сцеплению колес с дорогой. Автомобиль же на эластичных шинах с нейтральной поворачиваемостью при действии боковой силы будет двигаться прямолинейно под углом δ_ув к прежнему направлению движения.

Если δ₁ > δ₂ , то р_э > р (рис. 8.2, б), и для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой радиусом р управляемые колеса нужно повернуть на больший угол, чем при жестких шинах. В этом случае имеет место недостаточная поворачиваемость.

Если угол δ₁ < δ₂ , то р_э < р (рис. 8.2, в), и для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой радиусом р управляемые

колеса нужно повернуть на угол, меньший чем при жестких шинах, т. е. наблюдается излишняя поворачиваемость.

Чтобы понять влияние различных видов поворачиваемости на устойчивость автомобиля, рассмотрим воздействие на автомобиль боковой силы Р_ув случае, когда угол поворота управляемых колес θ = 0.

Рис. 44 – Схемы движения автомобиля с различной поворачиваемостью при θ=0: а – нейтральной, б – недостаточной, в – излишней.

 

В случае нейтральной поворачиваемости (рис. 8.3, а) автомобиль будет двигаться под углом δ_ув = δ₁ = δ₂ к траектории своего прежнего движения.

В случае недостаточной поворачиваемости (рис. 8.3, б) в результате того, что углы уводов переднего и заднего мостов различны, будет действовать центробежная сила Р_циз центра О₁ поворота автомобиля, причем она будет направлена в противоположную сторону возмущающей боковой силе Р_y , что уменьшит ее и, как следствие, произойдет увод колес. Следовательно, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное движение.

В случае излишней поворачиваемости (рис. 8.3, в) будет действовать центробежная сила из центра поворота О₁, но в данном случае ее направление будет совпадать с направлением боковой силы Р_у , что вызовет еще больший увод колес с изменением траектории движения. Поэтому автомобиль с излишней поворачиваемостью менее управляем и хуже сохраняет направление движения, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью.

Креновая поворачиваемость автомобиля зависит от конструкции подвески. На рис. 8.4 показан задний мост с подвеской на листовых полуэллиптических рессорах, который поворачивает направо.

Рис. 45 – Поворот заднего моста при крене кузова

Передние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а задние с помощью серьги. Под действием поперечной силы Р_yкузов автомобиля наклоняется, вызывая сжатие левых рессор и распрямление правых. Левая рессора, сжимаясь, перемещает задний мост назад (в точку А), а правая распрямляясь, перемещает его вперед (в точку В). В результате задний мост поворачивается в горизонтальной плоскости.

Рис. 46 – Креновая поворачиваемость автомобиля: а – недостаточная, б – излишняя.

 

Если вследствие крена углы поворота переднего и заднего мостов неодинаковы по величине или направлению, то автомобиль поворачивает, хотя передние колеса относительно балки моста не повернуты. Так, при действии одной и той же силы Р_уодин автомобиль (рис. 8.5, а) повернет вправо, а второй автомобиль (рис. 8.5, б) — влево.

Возникающая при повороте центробежная сила Р_цу первого автомобиля направлена противоположно возмущающей силе Р_у , а у второго автомобиля — в ту же сторону. Поэтому первый автомобиль лучше сохраняет направление движения под действием поперечных возмущающих сил. По аналогии с шинной поворачиваемостью можно сказать, что первый автомобиль имеет недостаточную поворачиваемость, а второй автомобиль — излишнюю креновую поворачиваемость.

У автомобиля с излишней креновой поворачиваемостью при действии поперечной силы кривизна траектории непрерывно увеличивается. Это приводит к росту центробежной силы и дальнейшему уменьшению радиуса поворота. Однако максимальное значение угла поперечного крена обычно ограничено упорами, предусмотренными в конструкции подвески.

 

Креновая поворачиваемость связана с шинной поворачиваемостью, так как увод колеса возникает не только под действием моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (развале). Если направление поперечной силы совпадает с направлением развала, то увод возрастает. Один градус развала вызывает увод в 10—20'. У автомобилей с независимой подвеской на поперечных рычагах крен кузова вызывает изменение развала. При двухрычажной подвеске колеса наклоняются в сторону крена кузова и направления попереч­ной силы, что увеличивает общий увод моста. При однорычажной подвеске колеса наклоняются в сторону, противоположную крену кузова и навстречу поперечной силе, при этом общий увод моста уменьшается.

Так как автомобиль, имеющий недостаточную поворачиваемость, обладает большей устойчивостью, то при его конструировании и эксплуатации стремятся обеспечить именно недостаточную поворачиваемость. Поэтому у легковых автомобилей наиболее распространена передняя подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге. Если сделать наоборот (впереди установить зависимую, а сзади независимую двухрычажную подвеску), то это приведет к резкому ухудшению управляемости автомобиля.

При эксплуатации для сохранения недостаточной поворачиваемости автомобиля при перевозке грузов их размещают так, чтобы их центр тяжести находился ближе к передней оси автомобиля. Во всех случаях давление воздуха в шинах колес передней оси поддерживают ниже, чем в задних шинах, а в случае вынужденного использования шин разной конструкции следует более жесткие шины устанавливать на заднюю ось, а менее жесткие спереди.

Автомобиль с излишней поворачиваемостью может вообще потерять управляемость. Из формулы (8.9) получим:

(8.10)

При прямолинейном движении автомобиля δ₁ = δ₂ = θ = 0, р_э = да, и обе части равенства (8.9) равны нулю. Если на автомобиль кратковременно подействует боковая сила (например, порыв ветра), то возникает боковой увод колес.

Теперь в равенстве (8.9) δ₁ > 0, δ₂ > 0, δ₂ > δ₁, (автомобиль имеет излишнюю поворачиваемость), θ = 0, следовательно:

т. е. автомобиль начнет поворачивать по дуге радиусом р_э, и возникнет центробежная сила P_цкоторая будет поддерживать колеса в состоянии увода и после прекращения действия исходной возмущающей силы (в данном случае порыв ветра).

Допустим, что сила Р_цпараллельна силам боковых реакций R_у1 и R_y2дороги на колеса автомобиля. Такое допущение основывается на том, что после возникновения центробежной силы Р_црадиус поворота р_э достаточно велик. Тогда из уравнения равновесия автомобиля следует: (рис. 47)

Рис. 47 – Определение критической скорости автомобиля по условиям управляемости.

 

(8.11)

Центробежная сила Р_ци боковые силы Р_у1, Р_у2действуют на колеса со стороны балок мостов, вызывая увод шин:

(8.12)

 

На основании отношения (8.7) и с учетом уравнений (8.11) и (8.12) получим

(8.13)

(8.14)

где k_ув1 и k_ув2 — коэффициенты сопротивления боковому уводу шин переднего и заднего мостов соответственно.

 

Из полученных уравнений следует, что при повышении скорости движения углы увода возрастают, причем угол δ₂ растет быстрее угла δ₁.

Это вызывает уменьшение правой части выражения (8.10), которая при определенной так называемой критической скорости v_ув оказывается равной нулю. При этой скорости автомобиль может двигаться криволинейно, хотя его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. Если скорость больше v_ув, то (δ₂ - δ₁) > L/р_э и угол θ становится отрицательным. Это означает, что для поворота вправо передние колеса следует повернуть влево. Таким образом, автомобиль с излишней поворачиваемостью теряет управляемость, если его скорость больше критической.

Из выражений (8.10), (8.13) и (8.14) определяется критическая скорость автомобиля по условиям управляемости:

(8.15)

У автомобиля с недостаточной или нейтральной поворачиваемостью критическая скорость v_ув отсутствует, так как при δ₂ < δ₁ подкоренное выражение отрицательно, а при δ₂ = δ₁ оно равно бесконечности.