Движение автомобиля на повороте

 

     Рассмотрим движение автомобиля на повороте с учетом углов увода управляемых колес (рис. 2.3). При движении с уводом образуются боковые реакции R_{Y 1} и R_{Y 2} колес, которые создают боковую силу инерции:

R_{Y 1} + R_{Y 2} = M × V ²/ R _п = P_{j Y},

где M – масса автомобиля; V – скорость центра масс C автомобиля; R _п –

расстояние от центра C до центра O_П (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема к расчету движения автомобиля на повороте

с учетом углов увода колес

 

     Колеса передней оси движутся с углом увода d_1, задней – с углом увода d₂. Величины углов увода определяются характеристиками шин: d₁ = = f (R_{Y 1}) и d₂ = f (R_{Y 2}). Центр поворота автомобиля перемещается из точки O (без учета углов увода) в точку O_П. Положение точки O_П определяется пересечением двух линий, проведенных из середин передней и задней осей перпендикулярно векторам скоростей осей V ₁ и V ₂. Величина радиуса поворота связана с углами поворота колес и углами увода:

R _п » L /(q + d₂ – d₁).                                    (16)

Точку O_П называют мгновенным центром поворота, так как она перемещается при повороте руля и изменении скорости движения. При прямолинейном движении центр O_П расположен в бесконечности. При качении колес с уводом центр поворота смещается вперед, по ходу движения автомобиля.

     Расчет траектории движения автомобиля выполняют по характеристикам его шин, используя которые вычисляют углы увода и боковые реакции. Для большинства практических расчетов удается представить характеристику увода линейной: R_Y = K_Y × d (или R_Y = ¶ _Y × d × P_Z). Для расчета траектории движения автомобиля составляют системы дифференциальных уравнений, решение которых находят численным интегрированием на компьютере.

По соотношению углов увода оценивают поворачиваемость автомобиля: d₁ » d₂ – нейтральная; d₁ > d₂ – недостаточная; d₂ > d₁ – избыточная.

     Конструкторы автомобиля стремятся обеспечить нейтральную его поворачиваемость во всех режимах движения и степени его загрузки. При нейтральной поворачиваемости достигается хорошая управляемость и устойчивость управления. Однако обеспечить во всех режимах движения нейтральную поворачиваемость невозможно. При недостаточной поворачиваемости автомобиль медленно, с запаздыванием, реагирует на поворот руля. При избыточной поворачиваемости автомобиль быстрее реагирует на поворот руля, но движение становится неустойчивым.

 

 

Стабилизация автомобиля

 

     При движении на повороте на руле автомобиля образуется стабилизирующий момент, стремящийся возвратить его в нейтральное положение, соответствующее прямолинейному движению. Момент на руле создает водителю чувство дороги. Конструкторы автомобиля обеспечивают на руле момент, пропорциональный углу поворота колес, и приемлемую для водителя величину этого момента. Момент на руле создается шиной и дополнительно конструкцией подвески с помощью углов установки колес.

При качении шины с уводом образуется стабилизирующий момент M_Z, поворачивающий колесо относительно его вертикальной оси (рис. 2.4). При движении шины с углом увода d и повороте колеса по часовой стрелке образуется пятно контакта (см. рис. 2.4, вверху, слева). Элемент протектора входит в контакт и сцепляется с дорогой, затем перемещается влево (см. рис. 2.4, вверху, справа). На элементе образуется сила, которая сначала линейно возрастает, затем ограничивается коэффициентом сцепления. Образуется эпюра поперечных касательных напряжений в виде трапеции. Сумма напряжений по всему контакту равна боковой реакции R_Y. Из-за несимметричности эпюры точка приложения реакции R_Y смещается вниз на плечо c. Образуется стабилизирующий момент M_Z, поворачивающий шину против направления вращения часовой стрелки.

При увеличении угла увода момент M_Z возрастает, достигает максимума, а затем снижается. Наибольшее значение M_{Z MAX} момента достигается при угле увода примерно d_кр/2. Для легковых шин различного размера момент оставляет 150…250 Н×м. При достижении углом d = d_кр момент становится равным нулю, затем он становится отрицательным (дестабилизирующим), но малой величины.

На покрытии с высоким сцеплением только нарастающий участок характеристики M_Z = f (d) подходит для обеспечения стабилизирующего момента на руле M _Р. При низком сцеплении момент M_Z становится небольшим и его недостаточно для создания M _Р. При углах увода d = d_кр требуется наибольший момент M _Р, но момент M_Z = 0. Следовательно, с помощью одного стабилизирующего момента шины невозможно создать момент M _Р на руле и обеспечить водителю чувство дороги.

 

 

Рис. 2.4. Механизм образования стабилизирующего момента в

контакте шины; характеристика стабилизирующего момента

 

     Чтобы получить момент M _Р на руле при углах увода d = d_кр и более, ось поворота управляемого колеса наклоняют в продольной плоскости автомобиля на угол g (рис. 2.5). Образуется дополнительное плечо d действия боковой реакции R_Y: d = r_d × sin (g), где r_d – динамический радиус колеса (см. рис. 2.5). На колесе возникает дополнительный стабилизирующий момент: M_{Z g} = d × R_Y. Момент M_{Z g} складывается с моментом шины M_Z, в области больших углов увода появляется требуемый момент на руле.

     Для получения момента на руле при низком сцеплении ось поворота управляемых колес наклоняют в поперечной плоскости на угол a (рис. 2.6). При повороте колеса контакт шины вращается в плоскости DD, на плече обкатки u. При повороте руля автомобиль поднимается и образуется дополнительный, весовой стабилизирующий момент:

M_{Z a} = P_Z × u × sin (a) × (1 – cos (q)).

Момент M_{Z a} не зависит от реакции R_Y (см. рис. 2.6). Он обеспечивает на покрытии с низким сцеплением момент на руле при значительных углах поворота колес q. Угол a для легковых автомобилей составляет 0,5..1,5°.

     Конструктор, подбирая углы g и a, получает приемлемую характеристику момента на руле M_Z = f (q).

Рис. 2.5. Дополнительный стабилизирующий момент, создаваемый

путем продольного наклона оси поворота колеса (шкворня)

 

Управляемые колеса устанавливаются со схождением. Схождение задается углом схождения 0,5…1°. Схождение обеспечивает небольшие боковые реакции, прижимающие колеса к середине автомобиля. Выбираются зазоры в подшипниках, повышается точность курсового управления. Управляемые колеса наклоняют в поперечной плоскости на угол развала 0,5..1,5°. Это компенсирует прогиб передней балки (или кузова) под действием нагрузки.

 

 

Рис. 2.6. Дополнительный стабилизирующий момент от поперечного

наклона оси поворота колеса (шкворня)

 

 

Испытания автомобиля

         

     Общие технические требования к управляемости автомобилей оговорены в ОСТ 37.001.487-89. Стандарт не распространяется на автомобили, скорость которых менее 40 км/ч, и имеющие менее четырех колес. Показатели управляемости определяются для автомобилей в груженом состоянии.

     1) Нормируется величина усилия на рулевом колесе.

     Усилие в Н на рулевом колесе не должно превышать следующих значений:

 

Категория автомобиля	Неподвижный автомобиль		Движущийся автомобиль
	Без рулевого усилителя	С рулевым усилителем	С исправным рулевым управлением	При отказе усилителя
М1, М2	250	60	150	300
М3	350	250	200	450
N1	300	180	200	300
N2	350	180	250	400
N3	350	250	200	450

     2) Должен обеспечиваться возврат рулевого колеса в нейтральное положение после его освобождения (стабилизация автомобиля). При этом после освобождения руля угол поворота колеса не должен увеличиваться. Возврат рулевого колеса должен происходить без колебаний.

     3) Замеряется характеристика статической поворачиваемости автомобиля. Она представляет собой функцию: R = w_т/ V = f (a_р), где w_т – угловая скорость автомобиля, V – скорость автомобиля, a_р – угол поворота рулевого колеса; R – радиус поворота.

4) Замеряется характеристика дрейфа автомобиля. Она представляет собой функцию курсового угла дрейфа: b = f (W _y), где W _y – боковое ускорение автомобиля; b – угол отклонения продольной оси автомобиля от касательной к заданной траектории движения. Устанавливаются наибольшие значения углов дрейфа:

Категории автомобилей	Ускорение W y, м/с^2
	1	2	4
М1, М2, N1	1	2	7
М3, N2	1,2	2,5	–
N3	1,5	3	–

     5) Нормируется реакция автомобиля на быстрый поворот руля (рывок руля или вход в поворот). В этом режиме стандарт ограничивает значения углов поворота рулевого колеса. Время установления 90% реакции в интервале боковых ускорений от 2 до 4 м/с² не должно превышать 0,8 с для категорий М₁, М₂, N₁ и 2,0 с – для категорий М₃, N₂, N₃.

     6) Проводятся дополнительные испытания автомобилей водителями – экспертами. Оценивается в баллах (1…5) устойчивость управления траекторией, курсовое управление, управление траекторией при торможении, устойчивость курсового управления.

     7) Замеряется наибольшая скорость выполнения маневра «переставка» – перестроения автомобиля из одной полосы движения в другую.

     При испытаниях автомобиля, находящегося в эксплуатации, измеряют люфт рулевого колеса.

 

Устойчивость автомобиля