Поперечная устойчивость на вираже

Ранее были рассмотрены случаи, когда нарушение попереч­ной устойчивости автомобиля вызывали закругления или попе­речный уклон дороги. Однако в эксплуатации часто встречаются одновременно поворот и поперечный уклон дороги, что создает предпосылки для нарушения поперечной устойчивости.

На рис. 11.7 представлены два автомобиля. Автомобиль I дви­жется на повороте по наружному краю дороги, а автомобиль II — по внутреннему.

Определим, какой из них более устойчив и безопасен на пово­роте. Для этого разложим поперечную силу Р_у и силу тяжести G на соответствующие составляющие, перпендикулярные (Р_у' и G')и параллельные (Р_уи G") поверхности дороги.

Рис. 11.7. Движение автомобилей на повороте: G ′, G" — составляющие силы тяжести автомобиля на повороте; Р'у, Р ′′ у — составляющие поперечной силы

У автомобиля II поперечная устойчивость выше, чем у автомо­биля I, так как у него силы Р_у' и G' складываются и увеличивают

сцепление колес с дорогой, а силы Р''_у и G'' частично уравновеши­вают друг друга, действуя в противоположные стороны.

У автомобиля I силы Р'_у и G' направленные в противополож­ные стороны, уменьшают сцепление колес с дорогой, а силы Р''_у и G'', действуя в одном направлении, уменьшают поперечную устойчивость. Таким образом, автомобиль II, движущийся по внут­реннему краю дороги (по отношению к центру поворота), более устойчив и безопасен на повороте, чем автомобиль I.

В связи с этим для обеспечения необходимой безопасности дви­жения на дорогах с малым радиусом поворота устраивают вираж — односкатный поперечный профиль, благодаря которому попереч­ный уклон дороги направлен к центру поворота. В этом случае поперечная устойчивость автомобиля существенно повышается (как у автомобиля II) независимо от направления его движения.

При движении на вираже (рис. 11.8) боковое скольжение авто­мобиля может начаться при условии

Р _б= Р _сц,

где Р _б — боковая сила, действующая на вираже, или

Р_у cosβ – G sinβ = (Р_у cosβ + G sinβ)φ _{y .}

Подставим в указанное выражение значение поперечной со­ставляющей Р_у центробежной силы и, выполнив ряд преобразо­ваний, определим критическую скорость автомобиля по заносу на вираже, км/ч:

Зависимости v _звот R и φ _у аналогичны приведенным на рис. 11.2. Опрокидывание авто­мобиля при движении на вира­же возможно при условии ра­венства опрокидывающего и восста-навливающего моментов:

М _о = М _в,

или

(Р_у cosβ – G sinβ) h _ц =

= (Р_у sinβ + G cosβ) .

Рис. 11.8. Движение автомобиля на вираже

Подставим значение силы Р_у и, выполнив соответствующие

преобразования, найдем критическую скорость автомобиля по опрокидыванию на вираже, км/ч:

Зависимости v _овот радиуса R и высоты h _цаналогичны пред­ставленным на рис. 11.3.

В приведенных ранее формулах для показателей поперечной ус­тойчивости автомобиля не учитываются эластичность его шин и подвески и, следовательно, поперечный крен кузова. В процессе эксплуатации при действии боковой силы возникает поперечный крен кузова. Угол крена кузова не превышает 8... 10°, но он суще­ственно ухудшает поперечную устойчивость автомобиля, что спо­собствует его опрокидыванию. Так, например, значения крити­ческой скорости и критического угла поперечного уклона дороги по опрокидыванию с учетом бокового крена кузова на 10... 15 % меньше, чем без учета крена.

Занос автомобиля

В процессе эксплуатации автомобилей при нарушении попе­речной устойчивости чаще происходит их занос, чем опрокиды­вание. При этом начинают скользить колеса одного из мостов — переднего или заднего.

Определим, что более вероятно и опасно: занос переднего уп­равляемого или заднего ведущего моста.

Для качения колеса без скольжения необходимо, чтобы

,

где R_x — касательная реакция дороги; R_y — поперечная реакция дороги.

Следовательно, должно выполняться соотношение

согласно которому поперечная сила, прилагаемая к колесу и не вызывающая его скольжения, тем больше, чем значительнее сила сцепления колеса с дорогой и меньше касательная реакция до­роги.

Определим, какое из колес (ведомое, ведущее или тормозя­щее) наиболее устойчиво против бокового скольжения (заноса).

Ведомое колесо наиболее устойчиво против заноса, так как Касательная реакция дороги R_x,представляющая собой силу со­противления качению, мала по сравнению с силой сцепления Р _сц.

Ведущее и тормозящее колеса менее устойчивы против заноса, поскольку через них передаются соответственно тяговая и тор­мозная силы. В тот момент, когда сила сцепления будет равна ка­сательной реакции дороги (Р _сц = R_x),сцепление колеса с дорогой полностью использовано касательной реакцией. В этом случае до­статочно действия небольшой боковой силы, чтобы начался за­нос колеса. Для ликвидации начавшегося заноса следует умень­шить касательную реакцию на колесе (уменьшить тяговую силу, прекратить торможение).

При прямолинейном движении автомобиля наиболее вероятен занос заднего ведущего моста, так как на его колеса при разгоне и преодолении повышенного сопротивления дороги действуют ка­сательные реакции дороги во много раз более значительные, чем на колеса переднего ведомого моста. При торможении автомобиля вследствие перераспределения нагрузки (увеличивается нагрузка на передний мост) уменьшается сила сцепления задних колес, что также способствует заносу заднего ведущего моста.

Рис. 11.9. Занос переднего (а) и заднего (б) мостов автомобиля: О — центр поворота

Занос заднего ведущего моста автомобиля при эксплуатации не только вероятнее, чем переднего, но и опаснее. Допустим, что у двигавшегося прямолинейно автомобиля со скоростью v _aначал­ся занос или переднего (рис. 11.9, а),или заднего (рис. 11.9, б)моста со скоростью v' _з. В обоих случаях мост, у которого начался занос, перемещается в направлении результирующей скорости v' а нескользящий мост по-прежнему движется прямолинейно со скоростью v _а. Происходит поворот автомобиля вокруг центра О,и на автомобиль действует центробежная сила Р _ц. Радиус поворота автомобиля в этом случае равен R.

Рис. 11.10. Гашение заноса автомобиля:

О, О ₁ — центры поворота; R, R ₁ — радиусы поворота при заносе и ликвидации заноса

 

 

При заносе переднего моста (см. рис. 11.9, а)поперечная со­ставляющая Р_у центробежной силы, являющаяся основной си­лой, которая действует на автомобиль при повороте, направлена противоположно скольжению передних колес. В результате занос переднего моста автоматически прекращается.

При заносе заднего моста (см. рис. 11.9, б)поперечная состав­ляющая Р_у центробежной силы действует в направлении скольже­ния задних колес и усиливает начавшийся занос заднего моста. Для ликвидации начавшегося заноса необходимо повернуть пе­редние управляемые колеса в сторону заноса, как показано на рис. 11.10. При этом центр поворота автомобиля О переместится в точку О ₁,радиус поворота увеличится и станет равным R ₁. В ре­зультате поперечная составляющая Р_у центробежной силы, спо­собствующая заносу, уменьшится.

При повороте передних колес на больший угол центр поворо­та переместится на противоположную сторону автомобиля, и по­перечная составляющая Р_у центробежной силы будет направлена в сторону, противоположную заносу. Занос задних колес в этом случае прекратится.

При еще большем угле поворота передних колес скольжение задних колес начнется в противоположную сторону. Поэтому пос­ле прекращения заноса задних колес автомобиль нужно вывести на прямолинейное движение.

В процессе эксплуатации занос автомобиля происходит чаще всего при торможении, когда в месте контакта колес с дорогой действуют большие тормозные силы. В результате колеса теряют способность воспринимать боковые силы. При торможении занос часто возникает также из-за неодинаковых тормозных моментов на колесах одного моста. Это происходит вследствие неправиль­ной регулировки тормозных механизмов или их замасливания и загрязнения.

Для ликвидации начавшегося заноса при торможении следует уменьшить касательные реакции дороги на колесах (прекратить торможение). Для устранения потери устойчивости автомобиля необходимо перед началом поворота уменьшить скорость движе­ния, так как поперечная составляющая Р_у центробежной силы пропорциональна квадрату скорости.

11.4. Продольная устойчивость автомобиля

При нарушении продольной устойчивости автомобиль может опрокинуться относительно оси передних или задних колес, а также скользить в продольном направлении.

Опрокидывание вокруг осей колес возможно только у автомо­биля с очень короткой базой и высоким расположением центра тяжести. Однако для большинства современных автомобилей, име­ющих низкое расположение центра тяжести, опрокидывание в про­дольной плоскости маловероятно. Возможно лишь продольное скольжение, вызванное буксованием ведущих колес, что более вероятно для автопоездов.

В связи с этим показателем продольной устойчивости автомо­биля является критический угол подъема по буксованию α_б.

Определим критический угол подъема по буксованию для ав­томобиля. С этой целью рассмотрим равномерное движение авто­мобиля на максимальном подъеме (рис. 11.11), так как разгон на нем невозможен. При преодолении максимального подъема ско­рость движения автомобиля небольшая, поэтому силой сопротив­ления воздуха Р _в пренебрегаем. При этом сцепление ведущих ко­лес с дорогой полностью используется касательной реакцией до­роги (R _х2 = Р _сц = R_{z 2}φ _x),а касательной реакцией дороги на перед­них колесах пренебрегаем, так как она мала по сравнению с каса­тельной реакцией R_{x 2}.

Из условий равновесия автомобиля следует, что

R_{z 2} L = Gh _ц sin α + Gl ₁cos α; R_{x 2} = G sin α.

Максимальное значение ка­сательной реакции дороги на ве­дущих колесах автомобиля огра­ничена сцеплением колес с до­рогой:

R _х2 = R_{z 2}φ _x.

Подставим в это выражение значения реакций дороги R_{z 2}и R _х2и разделим обе части урав­нения на cosα. Учитывая в дан­ном случае, что α=α_б, опреде­лим критический угол подъема по буксованию:

Рис. 11.11. Схема для определения критического угла подъема по буксованию

.

Критическим углом подъема по буксованию называется предель­ный угол, при котором еще воз­можно движение автомобиля на подъеме без буксования ведущих колес.

Рис. 11.12. Зависимости критичес­кого угла подъема по буксованию от коэффициента сцепления: 1 — автопоезд; 2 — автомобиль обыч­ной проходимости; 3 — автомобиль повышенной проходимости

Критический угол подъема по буксованию во многом зависит от коэффициента сцепления φ _x. Так, например, при φ _x = 0,3 (асфальт влажный и грязный или покрытый снегом) для автомобилей с колес­ной формулой 4×2 угол α_б = 10...

15°.

Для автомобиля со всеми веду­щими колесами критический угол подъема по буксованию

tg α_б = φ _x.

Следовательно, такого типа автомобили могут преодолевать кру­тые подъемы без потери продольной устойчивости.

Угол α_б линейно зависит от коэффициента φ _x (рис. 11.12).