Лекция 12. Управляемость автомобиля

План лекции

12.1. Поворот автомобиля

12.2. Силы, действующие на автомобиль при повороте

12.3. Увод колес автомобиля

12.4. Колебания управляемых колес

Управляемость автомобиля — одно из важнейших эксплуата­ционных свойств, определяющих возможность его безопасного дви­жения с большими средними скоростями, особенно на дорогах с интенсивным движением.

12.1. Поворот автомобиля

Основными параметрами, характеризующими поворот автомо­биля, являются радиус поворота и положение центра поворота.

На рис. 12.1 и 12.2 представлены схемы поворота автомобиля с жесткими и эластичными колесами. Точка О представляет собой центр поворота. Она находится на пересечении перпендикуляров, проведенных к векторам скоростей всех колес (мостов) автомо­биля. Радиус поворота R (R_Э) представляет собой расстояние от центра поворота до продольной оси автомобиля.

Для автомобиля с жесткими колесами (см. рис. 12.1), у которого векторы скоростей колес совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота лежит на продолжении оси задних колес, а ради­ус поворота (из ОАБ)

Рекомендуемые материалы

где L — база автомобиля; θ — угол поворота управляемых колес.

Рис. 12.1. Схема поворота автомобиля с жесткими колесами:

О — центр поворота; А, Б — центры осей

передних и задних колес; v₁ v₂ — векторы

скоростей передних и задних колес

Рис. 12.2. Схема поворота автомобиля с эластичными колесами:

О — центр поворота; А, В — центры осей передних и задних колес; С — расстояние между центром В оси задних колес и точ­кой Б — проекцией центра поворота на продольную ось автомобиля; v_b v₂ — век­торы скоростей передних и задних колес

Следовательно, радиус поворота автомобиля R с жесткими колесами зависит только от утла поворота управляемых колес.

Для автомобиля с эластичными колесами (см. рис. 12.2), векто­ры скоростей которых не совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота находится на некотором расстоянии С от оси зад­них колес, а радиус поворота (из ОАБ и  ОБ В)

где δ₁ δ₂ — углы увода передних и задних колес (мостов).

Таким образом, радиус поворота автомобиля с эластичными колесами зависит от угла поворота управляемых колес и углов увода передних и задних колес, обусловленных их эластичностью при действии боковой силы.

С учетом радиуса поворота R₃ находим расстояние С (из ОБВ):

Следовательно, положение центра поворота автомобиля с эла­стичными колесами зависит от угла поворота управляемых колес и углов увода передних и задних колес (мостов).

В технической характеристике автомобиля указывается наимень­ший радиус поворота по колее переднего наружного колеса. Этот радиус определяется экспериментально при максимальном пово­роте управляемых колес.

Радиус поворота автомобиля по колее переднего наружного колеса можно определитьпо следующей формуле:

где В — колея передних колес.

12.2. Силы, действующие на автомобиль при повороте

Процесс движения автомобиля на повороте включает в себя три фазы (рис. 12.3, а): вход в поворот (участок АБ), поворот (БВ) и выход из него (ВГ).

При входе в поворот управляемые колеса двигавшегося прямо­линейно автомобиля поворачиваются, и он движется по кривой уменьшающегося радиуса.

При повороте управляемые колеса повернуты на определенный угол, и движение происходит по кривой постоянного радиуса.

При выходе из поворота управляемые колеса возвращаются в нейтральное положение, и автомобиль движется по кривой уве­личивающегося радиуса, а затем — прямолинейно.

Во время движения на повороте на автомобиль (рис. 12.3, б) дей­ствуют следующие силы: центробежная Р_ц и ее поперечная Р_у и продольная Р_х составляющие, а также поперечные реакции доро­ги: R_y1 — на передний и Е_У2 — на задний мосты.

Основной действующей силой при повороте является попереч­ная составляющая Р_у центробежной силы, которая направлена пер­пендикулярно продольной оси автомобиля и представляет собой сумму трех сил:

Сила Р'у всегда возникает при криволинейном движении. Она пропорциональна квадрату скорости и действует в процессе всего поворота. Сила Р''_у  появляется в результате изменения угла пово­рота управляемых колес и действует при входе и выходе из пово­рота. Сила Р"'_у возникает вследствие изменения скорости движе­ния и действует только при неравномерном движении на пово­роте. Из трех указанных состав­ляющих наибольшее значение имеет сила Р'_у, на долю которой приходится 80 % силы Р_у. Поэто­му для автомобилей общего на­значения и специализированных автомобилей силами Р''у и Р"'_у пренебрегают.

Рис. 12.3. Поворот автомобиля:

а — фазы процесса поворота; б — силы, действующие при повороте; А —Г — характерные точки траектории поворо­та автомобиля; v_u v₂ — векторы ско­ростей передних и задних колес

Их учитывают только для специальных автомобилей (пожар­ные, автомобили «скорой помощи» и др.), движущихся на пово­ротах с более высокими скоростями.

При равномерном движении на повороте поперечная состав­ляющая центробежной силы

Она пропорциональна квадрату скорости движения, поэтому быстро возрастает при увеличении скорости.

Поперечные реакции дороги на передний и задний мосты при равномерном движении на повороте

Из этих выражений следует, что центробежные силы, действу­ющие на передний и задний мосты, можно считать пропорцио­нальными приходящемуся на них весу G₁ и G₂.

12.3. Увод колес автомобиля

Уводом колеса называется его свойство катиться под углом к плоскости своего вращения вследствие действия боковой силы.

Эластичное колесо (рис. 12.4) при отсутствии боковой силы катит­ся в плоскости своего вращения, а при действии боковой силы — под некоторым углом.

Угол 5ув, образованный вектором скорости v_K колеса и плоско­стью его качения, называется углом увода.

На рис. 12.5 показана зависимость угла увода колеса от прило­женной к нему поперечной силы. Кривая ОАБВ включает в себя следующие характерные участки: ОА — увод колеса при отсут­ствии бокового скольжения шины (δ_ув= 4...6°); АБ — увод с час­тичным боковым проскальзыванием шины; БВ— полное сколь­жение шины вбок при Р_у = Р_си (δ_ув = 12... 15°).

Рис. 12.4. Качение эластичного колеса

при отсутствии (а) и действии (б)

боковой силы:

А—В, А₁ — В₁ , А₂—В₂ — характерные точки колеса

Рис. 12.5. Зависимость угла увода

колеса от поперечной силы: А—В — характерные точки кривой

Рис. 12.6. Зависимости коэффициента сопротивления уводу колеса от вер­тикальной нагрузки на него и дав­ления воздуха в шине:

Р_В1 —Р_Вз — значения давления воздуха в шине

Угол увода колеса можно определить по формуле

где k_ув — коэффициент сопротивления уводу колеса.

Коэффициент сопротивления уводу колеса зависит от разме­ров и конструкции шины, давления воздуха в ней и вертикальной нагрузки на колесо. Так, при увеличении размеров шины и давле­ния воздуха в ней коэффициент сопротивления уводу возрастает. При увеличении вертикальной нагрузки на колесо он сначала ра­стет, а затем уменьшается (рис. 12.6). Для шин грузовых автомоби­лей и автобусов значения этого коэффициента составляют 30... 100 кН/рад, а для шин легковых автомобилей — 15...40 кН/рад. От значения коэффициента сопротивления уводу во многом зави­сит боковое скольжение колеса. Чем меньше этот коэффициент, тем раньше начинается боковое скольжение.

12.4. Колебания управляемых колес

В процессе движения управляемые колеса автомобиля могут совершать колебания вокруг шкворней (осей поворота) в гори­зонтальной плоскости. Такие колебания вызывают износ шин и рулевого привода, повышают сопротивление движению и увели­чивают расход топлива. Они могут привести к потере управляемо­сти автомобиля и снижению безопасности движения. Причина­ми, вызывающими эти колебания, являются гироскопическая связь управляемых колес, их неуравновешенность (дисбаланс) и двойная связь колес с несущей системой (рама, кузов) через рулевой привод и подвеску.

Рис. 12.7. Схема возникновения самовозбуждаю­щихся колебаний (автоколебаний) управляемых колес при зависимой подвеске

При наездах одного из колес на дорожные неровности при за­висимой их подвеске (рис. 12.7) происходит перекос переднего моста. Управляемые колеса наклоняются, и изменяется положение их оси вращения. Это приводит к возникновению гироскопического момента М_rх, который действует в горизонтальной плоскости и поворачивает управляемые колеса вокруг шкворней.

Поворот колес вокруг шкворней вызывает возникновение дру­гого гироскопического момента M_rz, который действует в верти­кальной плоскости и стремится увеличить перекос моста и на­клон колес.

Таким образом, перекос моста обусловливает колебания уп­равляемых колес вокруг шкворней, а они, в свою очередь, увели­чивают перекос моста, т.е. обе колебательные системы связаны между собой и влияют друг на друга.

Возникающие в этом случае колебания управляемых колес во­круг шкворней непрерывно повторяются (самовозбуждаются), яв­ляются устойчивыми и наиболее опасными.

При вращении неуравновешенного колеса (рис. 12.8) возникает центробежная сила Р_ц. Ее вертикальная составляющая P_z стремит­ся переместить колесо в вертикальном направлении и наклонить его, что вызывает появление гироскопического момента М_х. Го­ризонтальная составляющая Р_х центробежной силы стремится повернуть колесо вокруг шкворня. Колебания управляемых колес становятся особенно значительными, когда не уравновешены оба колеса и неуравновешенные части располагаются с разных сторон осей вращения, так как в этом случае поворачивающие мо­менты М_х складываются. Колебания также возрастают при увели­чении скорости движения автомобиля в связи с тем, что значе­ния составляющих P_z и Р_х центробежной силы Р_ц во многом зави­сят от скорости.

Рис. 12.8. Дисбаланс управляемых колес:

а — силы, действующие на неуравновешенные колеса; б — схема возникнове­ния поворачивающего момента

Рис. 12.8. Связь управляемых колес с несущей системой автомобиля:

А — шарнир; О, О, — центры колебаний; аа, бб — траектории перемещения шарнира

Управляемые колеса автомобиля имеют двойную связь с его несущей системой, которая осуществляется через подвеску и ру­левой привод.

Люди также интересуются этой лекцией: 23 Характеристика российской промышленности.

При вертикальных перемещениях колеса (рис. 12.8) шарнир А, соединяющий продольную рулевую тягу с рычагом поворотного кулака, должен перемещаться по дуге бб с центром в точке O₁ что обусловлено кинематикой рулевого привода.

Кроме того, шарнир А также должен перемещаться по дуге аа с центром в точке О, что связано с особенностями кинематики подвески. Однако дуги аа и бб расходятся, поэтому вертикальные перемещения управляемых колес сопровождаются их поворотом вокруг шкворней.

Колебания управляемых колес вокруг шкворней совершаются с высокой и низкой частотой.

Колебания высокой частоты, превышающей 10 Гц, с амплиту­дой не более 1,5...2° происходят в пределах упругости шин и руле­вого привода. Эти колебания не передаются водителю и не приво­дят к нарушению управляемости автомобиля, так как поглощают­ся в рулевом управлении. Однако высокочастотные колебания вы­зывают дополнительный износ шин и деталей рулевого привода, повышают сопротивление движению автомобиля и увеличивают рас­ход топлива.

Колебания низкой частоты (менее 1 Гц) с амплитудой 2...3⁰ нарушают управляемость автомобиля и безопасность движения. Для их устранения необходимо снизить скорость автомобиля.

Полностью устранить колебания управляемых колес вокруг шкворней невозможно — их можно только уменьшить. Это обес­печивается применением независимой подвески управляемых ко­лес, что ослабляет гироскопическую связь между ними, примене­нием балансировки колес, благодаря чему устраняется их неурав­новешенность, уменьшением влияния двойной связи колес с не­сущей системой, что достигается принятием различных конст­руктивных мер.