Лекция 13. Управляемость, ее зависимость от конструктивных параметров автомобиля

План лекции

13.1. Стабилизация управляемых колес

13.2. Установка управляемых колес

13.3. Влияние различных факторов на управляемость

автомобиля

13.1. Стабилизация управляемых колес

При движении силы, действующие на автомобиль, стремятся отклонить управляемые колеса от положения, соответствующего прямолинейному движению. Чтобы не допустить поворота управ­ляемых колес под действием возмущающих сил (толчки от неров­ностей дороги, порывы ветра и др.), управляемые колеса должны обладать стабилизацией.

Стабилизацией управляемых колес называется их свойство со­хранять положение, отвечающее прямолинейному движению, и автоматически возвращаться в это положение.

Чем выше стабилизация управляемых колес, тем легче управ­лять автомобилем, выше безопасность движения, меньше износ шин и рулевого управления.

На автомобилях стабилизация управляемых колес обеспечива­ется наклоном шкворня или оси поворота колес в поперечной и продольной плоскостях и упругими свойствами пневматической шины, которые создают соответственно весовой, скоростной и упругий стабилизирующие моменты.

Рекомендуемые материалы

Весовой стабилизирующий момент возникает вследствие попе­речного наклона шкворня или оси поворота управляемого колеса (при бесшкворневой подвеске). Поперечный наклон оси поворота (рис. 13.1), характеризуемый углом р_ш, при повороте колеса вы­зывает подъем передней части автомобиля на некоторую высоту И'. При этом масса передней части стремится возвратить колесо в положение прямолинейного движения. Создаваемый в данном случае стабилизирующий момент и является весовым.

Хотя весовой стабилизирующий момент меньше, чем стабили­зирующий момент шины, он не зависит ни от скорости движе­ния, ни от сцепления колеса с дорогой. У автомобилей угол попе­речного наклона шкворня (оси поворота) управляемого колеса β_ш = 5... 10°. При увеличении угла β_ш повышается стабилизация управляемых колес, но затрудняется работа водителя.

Весовой стабилизирующий момент приближенно можно рас­считать по следующей формуле:

где G_K -г- нагрузка на колесо; l_ц — длина поворотной цапфы; θ — угол поворота колеса.

Рис. 13.1. Поперечный наклон оси поворота управ­ляемого колеса

Скоростной стабилизирующий момент создается в результате продольного на­клона шкворня. Продольный наклон оси поворота (рис. 13.2), определяемый углом γ_ш, создает плечо а действия реакций до­роги, возникающих при повороте колеса между шиной и дорогой в месте их каса­ния. Эти реакции помогают возврату ко­леса в положение, соответствующее прямолинейному движению. Создаваемый в этом случае стабилизирующий момент и является скоростным.

Обычно боковые реакции дороги на колесах возникают вследствие действия на автомобиль центробежной силы, которая пропорциональна квадрату скорости движения на повороте. По­этому скоростной стабилизирующий момент изменяется пропор­ционально квадрату скорости движения.

У автомобилей угол продольного наклона оси поворота управ­ляемых колес уш = 0...3,5°. При увеличении угла у_ш повышается стабилизация управляемых колес, но усложняется работа води­теля.

Скоростной стабилизирующий момент

М_сс = R_ya = R_yr_Ksinγ_ш,

где а — плечо действия реакции дороги R_y, г_к — радиус колеса; γ_ш — угол продольного наклона шкворня.

Упругий стабилизирующий момент шины создается при поворо­те управляемого колеса вследствие смещения результирующей боковых сил, действующих в месте контакта шины с дорогой, относительно центра контактной площадки (рис. 13.3).

Упругий стабилизирующий момент, создаваемый шиной:

М_су = Р_бb, где Р_б — результирующая боковых сил; b — плечо действия силы Р_б.

Стабилизирующий момент шины до­стигает значительной величины у легко­вых автомобилей, которые имеют высо­коэластичные шины и движутся с боль­шой скоростью. Он может составлять 200... 250 Н • м при углах увода колес 4... 5°. Поэтому при очень эластичных шинах угол продольного наклона шкворня де­лают равным нулю, чтобы не усложнять управление автомобилем.

Рис. 13.2. Продольный наклон оси поворота управляемого колеса

Рис. 13.3. Схема возник­новения упругого стаби­лизирующего момента шины

Однако при не­большой скорости движения стабилизирующий момент шины не обеспечивает надежной стабилизации управляемых колес. Кроме того, упругий стабилизирующий мо­мент шины резко уменьшается на дорогах с небольшим коэффи­циентом сцепления (скользких, обледенелых).

Стабилизация управляемых колес неразрывно связана с уста­новкой управляемых колес автомобиля.

13.2. Установка управляемых колес

Для создания наименьшего сопротивления движению, умень­шения износа шин и снижения расхода топлива управляемые ко­леса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля. С этой целью управляемые колеса устанавливают на автомобиле с развалом в вертикальной и со схож­дением в горизонтальной плоскости.

Углом развала управляемых колес α_р называется угол (рис. 13.4, а), заключенный между плоскостью колеса и вертикальной плоско­стью, параллельной продольной оси автомобиля. Угол развала считается положительным, если колесо наклонено от автомобиля наружу, и отрицательным при наклоне колеса внутрь.

Угол развала необходим для того, чтобы обеспечить перпенди­кулярное расположение колес по отношению к поверхности до­роги при деформации деталей моста под действием веса передней части автомобиля. Этот угол уменьшает плечо поворота — рассто­яние между точкой пересечения продолжения оси поворота (шкворня) и точкой касания колеса плоскости дороги. В результа­те существенно уменьшается момент, необходимый для поворота управляемых колес, и, следовательно, облегчается поворот авто­мобиля.

Рис. 13.4. Схемы установки управляемых колес:

а — развал; б — схождение; О — точка пересечения продолжения оси колеса с плоскостью дороги; А, Б — расстояния между задними и передними частями колес

При установке колеса с развалом возникает осевая сила, при­жимающая ступицу с колесом к внутреннему подшипнику, размер которого обычно больше, чем размер наружного подшипни­ка. Вследствие этого разгружается наружный подшипник ступицы колеса. Угол развала обеспечивается конструкцией управляемого моста путем наклона поворотной цапфы и составляет 0...2°.

При наличии развала управляемое колесо стремится катиться в сторону от автомобиля по дуге вокруг точки О (см. рис. 13.4, а) пересечения продолжения его оси с плоскостью дороги. Так как управляемые колеса связаны между собой, то их качение по рас­ходящимся дугам сопровождалось бы боковым скольжением. Для предотвращения такого скольжения управляемые колеса устанав­ливают со схождением, т.е. не параллельно, а под некоторым уг­лом к продольной оси автомобиля.

Угол схождения управляемых колес δ_С (рис. 13.4, б) определяется разностью расстояний А и Б между колесами, которые измеряют сзади и спереди по краям ободьев на высоте оси колес. Угол схож­дения колес у автомобилей находится в пределах 0°20'... 1°, а раз­ность расстояний А и Б между колесами сзади и спереди составля­ет 2... 12 мм.

Установка управляемых колес с одновременным развалом и схождением обеспечивает их прямолинейное качение по дороге без бокового скольжения. При этом должно быть правильно подо­брано соотношение между углами развала и схождения. Каждому углу развала соответствует определенный угол схождения, при котором сопротивление движению, расход топлива и износ шин будут минимальными. Обычно оптимальный угол схождения уп­равляемых колес составляет в среднем 13...20% угла их развала. Однако в процессе эксплуатации управляемые колеса часто уста­навливают со схождением несколько большим, чем требуется для компенсации их развала. Это вызвано тем, что у колес вследствие наличия зазоров и упругости рулевого привода может появиться отрицательное схождение. В результате даже при их положитель­ном развале возрастают сопротивление движению, расход топли­ва и износ шин.

13.3. Влияние различных факторов на управляемость автомобиля

На управляемость автомобиля оказывают влияние различные конструктивные и эксплуатационные факторы. К ним относятся установка и стабилизация управляемых колес, подвеска и шины, техническое состояние рулевого управления, блокировка колес при торможении, колебания управляемых колес, усилители рулевого управления, кузов автомобиля, квалификация водителя и др.

Установка управляемых колес. Правильная установка управляе­мых колес с развалом в вертикальной плоскости и со схождением

в горизонтальной, а также регулировка углов развала и схожде­ния колес существенно влияют на управляемость автомобиля. При их отклонении от требуемого положения возрастает сопротивле­ние движению и может произойти изменение соотношения меж­ду углами поворота управляемых колес (внутреннего и наружно­го). В результате затрудняется управление автомобилем. При этом увеличивается износ шин и снижается топливная экономичность автомобиля. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо пра­вильно регулировать углы установки управляемых колес автомо­биля.

Стабилизация управляемых колес. Возмущающие силы, действу­ющие на автомобиль при движении, стремятся нарушить ней­тральное положение управляемых колес и вывести их из этого положения, отвечающего прямолинейному движению. Для того чтобы не произошел поворот управляемых колес под действием возмущающих сил (толчки от наезда на неровности дороги, по­рывы ветра и др.), колеса должны обладать соответствующей ста­билизацией. При нарушении стабилизации управляемых колес за­трудняется управление автомобилем, ухудшается безопасность дви­жения, увеличивается износ шин и рулевого управления.

В процессе эксплуатации стабилизация колес ухудшается при увеличении зазоров в подшипниках ступиц управляемых колес и шкворневых соединениях, а также из-за неправильной регули­ровки рулевого управления. Так, например, чрезмерная затяжка шаровых пальцев продольной рулевой тяги, конических подшип­ников и рабочей пары рулевого механизма увеличивает сопротив­ление в рулевом управлении, затрудняет возвращение рулевого колеса в нейтральное положение и усложняет управление автомо­билем.

В процессе эксплуатации необходимая стабилизация управляе­мых колес достигается регулировкой углов наклона шкворней или оси поворота колес в поперечной и продольной плоскостях.

Подвеска и шины. У легковых автомобилей ухудшение управ­ляемости при эксплуатации может быть вызвано остаточной де­формацией пружин передней независимой подвески. В результате осадки пружин рычаги подвески при перемещениях изменяют углы развала колес и поперечного наклона шкворней, нарушая при этом установку и стабилизацию управляемых колес. К тому же при осадке одной из пружин подвески указанные углы изменяют­ся только с одной стороны автомобиля. Вследствие этого стабили­зирующие моменты на управляемых колесах не будут уравнове­шиваться при прямолинейном движении и автомобиль начнет уводить в сторону. При уменьшении давления воздуха в одной из шин колес автомобиля увеличивается ее сопротивление качению и снижается боковая жесткость шины. В связи с этим автомобиль

при движении постоянно отклоняется в сторону шины с умень­шенным давлением воздуха.

Блокировка колес при торможении. При торможении автомо­биля одновременная блокировка (доведение до юза) передних и задних колес может произойти только на дорогах с определенным оптимальным коэффициентом сцепления φ_опт = 0,4...0,45. На до­рогах с другими значениями коэффициента сцепления происхо­дит блокировка сначала либо передних, либо задних колес. Так, при торможении на дорогах с коэффициентом сцепления меньше оптимального (φ_х < φ_опт) у автомобиля первыми блокируются пе­редние управляемые колеса. Это может привести к потере управ­ляемости автомобиля. При торможении на дорогах с коэффици­ентом сцепления больше оптимального (φ_х > φ_опт) у автомобиля первыми доводятся до юза задние ведущие колеса, что может при­вести к заносу.

Колебания управляемых колес. При движении возникающие колебания управляемых колес вокруг шкворней (осей поворота) в горизонтальной плоскости происходят с высокой и низкой час­тотами.

Колебания колес с высокой частотой (более 10 Гц) соверша­ются в пределах упругости рулевого привода и шин. Они поглоща­ются в рулевом управлении, не передаются на рулевое колесо и не нарушают управляемости автомобиля. Однако колебания высо­кой частоты вызывают дополнительный износ шин и деталей ру­левого привода, возрастание сопротивления движению и сниже­ние топливной экономичности автомобиля.

Колебания колес с низкой частотой (менее 1 Гц) нарушают управляемость автомобиля и безопасность движения. Для устране­ния их влияния следует снижать скорость движения автомобиля.

Колебания управляемых колес вокруг шкворней полностью устранить невозможно, их можно только уменьшить. Это достига­ется различными конструктивными мерами: применением неза­висимой подвески управляемых колес, их балансировкой и др. В результате уменьшается гироскопическая связь между колесами и устраняется их неуравновешенность, вызывающие колебания колес вокруг шкворней.

Усилители рулевого управления. В рулевых управлениях автомо­билей применяют гидравлические, пневматические и электричес­кие усилители. Среди них наибольшее распространение получили гидроусилители. Так, 80 % всех автомобилей с усилителями руле­вого управления оборудованы гидравлическими усилителями.

Гидроусилитель значительно облегчает работу водителя, кото­рый при его наличии прикладывает к рулевому колесу в 2 — 3 раза меньшее усилие, чем без гидроусилителя. Так, например, для по­ворота автомобиля средней и большой грузоподъемности и автобу­сов без рулевых усилителей требуется усилие водителя до 400 Н и

более. Это очень существенно, так как из всей затрачиваемой во­дителем энергии на управление автомобилем 50 % приходится на рулевое управление. Кроме того, гидроусилитель смягчает толчки и удары от дорожных неровностей, передаваемые от управляемых колес на рулевое колесо. Гидроусилитель также повышает без­опасность движения при повреждении шин управляемых колес (прокол, разрыв и т.п.) и маневренность автомобиля.

Маневренность автомобиля возрастает при быстром и точном действии гидроусилителя. Так, время срабатывания гидроусили­телей составляет 0,2...2,4 с (у пневмоусилителей оно в 5— 10 раз больше). Это приводит к высокой точности при управлении авто­мобилем в процессе поворота на закруглениях дорог.

Кузов автомобиля. Форма кузова легковых автомобилей оказы­вает существенное влияние на их управляемость, так как она оп­ределяет метацентр автомобиля — точку приложения боковой аэро­динамической силы Р_б (силы ветра). У автомобилей метацентр обычно не совпадает с их центром тяжести. Так, у одних автомоби­лей метацентр расположен перед центром тяжести, а у других — за ним.

Если метацентр находится перед центром тяжести автомоби­ля, то при действии бокового ветра двигавшийся прямолинейно автомобиль начнет поворачиваться в направлении действия силы ветра. Это вызовет появление центробежной силы Р_б (рис. 13.5), под влиянием которой увеличится склонность автомобиля к по­вороту.

Если метацентр находится за центром тяжести автомобиля, то при действии бокового вет­ра Р_ц автомобиль будет стре­миться повернуть против ветра. Возникающая при этом цент­робежная сила Р'_ц будет способ­ствовать уменьшению поворо­та автомобиля.

Таким образом, для обеспе­чения лучшей управляемости автомобиля при действии боко­вого ветра необходимо, чтобы метацентр располагался за цент­ром тяжести автомобиля.

Это может быть достигнуто соответствующей формой ку­зова автомобиля, например с пониженным капотом двигателя, высокими задними крыль­ями и др.

Люди также интересуются этой лекцией: 39 Понятие, источники и субъекты международного морского права.

Рис. 13.5. Влияние формы кузова на управляемость автомобиля:

а — расположение метацентра автомо­биля; б — схема сил, действующих при боковом ветре; МЦ — метацентр; ЦТ — центр тяжести

Квалификация водителя. Управляемость автомобиля и точность выполнения маневра во многом зависят от квалификации водите­ля.

Управление автомобилем на повороте представляет собой слож­ный процесс, состоящий из нескольких фаз: вход автомобиля в поворот, его поворот и выход из поворота.

При управлении автомобилем водители, не имеющие доста­точного опыта, часто допускают ошибки: выводят автомобиль за осевую линию дороги, за пределы занимаемого ряда и срезают углы при маневрировании. Все подобные действия приводят к нарушению не только управляемости автомобиля, но и безопас­ности движения.