Что такое боковой увод легкового автомобиля
Устройство автомобилей
Увод колеса и поворачиваемость автомобиля
Увод колеса
При прохождении автомобилем поворота возникающая боковая сила Ру действует на весь автомобиль, в том числе и на колеса, которые находятся в контакте с дорогой. Поскольку колеса снабжены эластичными шинами, то боковая сила Ру вызовет деформацию шин в зоне контакта колес с дорогой.
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 колеса – углом увода.
Боковая сила, вызывающая увод, может быть связана с углом увода соотношением:
где kув – 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 kув приближенно можно считать постоянным. Для легковых автомобилей kу изменяется от 15 до 40 Н/рад, а для грузовых автомобилей и автобусов – от 30 до 100 Н/рад.
Коэффициент kув можно считать постоянным лишь приближенно. Увеличение вертикальной нагрузки и давления воздуха в шинах сопровождается повышением сопротивления уводу.
При возникновении увода происходит деформация шины в радиальном и поперечном направлении, в результате чего возрастает внутреннее трение в шине. При дальнейшем увеличении углов 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.
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 упругих элементов подвески. Поэтому различают поворачиваемость шинную и креновую.
Если в автомобиле с жесткими шинами центр поворота находится в точке О (рис. 2) пересечения продолжения осей передних и задних колес, то у автомобиля с эластичными шинами центр поворота будет находиться в точке О1 пересечения перпендикуляров к векторам скоростей v1 и v2 переднего и заднего мостов. Тогда можно записать:
где δ1 и δ2 – углы увода соответственно переднего и заднего мостов;
ρэ – радиус поворота автомобиля с эластичными шинами;
L – база автомобиля.
Для автомобиля с жесткими шинами углы увода равны нулю: δ1 = δ2 = 0, и для радиуса поворота справедлива формула:
где ρ – радиус поворота автомобиля с жесткими шинами.
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 δув к прежнему направлению движения.
Чтобы понять влияние различных видов поворачиваемости на устойчивость автомобиля, рассмотрим воздействие на автомобиль боковой силы Ру в случае, когда угол поворота управляемых колес равен нулю: θ = 0.
В случае нейтральной поворачиваемости (рис. 3, а) автомобиль будет двигаться под углом δув = δ1 = δ2 к траектории своего прежнего движения.
Креновая поворачиваемость автомобиля зависит от конструкции подвески. На рис. 4 показан задний мост с подвеской на листовых полуэллиптических рессорах, который поворачивает направо. Передние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а задние – при помощи серьги.
Под действием поперечной силы Ру кузов 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.
Если вследствие крена углы поворота переднего и заднего мостов неодинаковы по величине и направлению, то автомобиль поворачивает, хотя передние колеса относительно балки моста не повернуты. Так, при действии одной и той же силы Ру один автомобиль (рис. 5, а) повернет вправо, а второй автомобиль (рис. 5, б) – влево.
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 ограничивается упорами, предусмотренными конструкцией 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 градусов.
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 подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге.
Если сделать наоборот (впереди установить зависимую, а сзади двухрычажную независимую 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 (3) получим:
При прямолинейном движении автомобиля δ1 = δ2 = θ = 0, ρэ = ∞ и обе части уравнения (3) равны нулю.
Если на автомобиль кратковременно подействует боковая сила (например, порыв ветра), то возникает большой увод колес. В этом случае в уравнении (3) δ1 > 0, δ2 > 0 и δ2 > δ1 (автомобиль имеет излишнюю поворачиваемость), θ = 0, следовательно,
Допустим, что сила Рц параллельна силам боковых реакций Rу1 и Rу2 дороги на колеса автомобиля. Такое допущение основывается на том, что после возникновения центробежная сила Рц и радиус поворота ρэ достаточно велик.
Тогда из уравнения равновесия автомобиля следует (рис. 6)
На основании отношения (1) и с учетом уравнений (5) и (6) получим:
где kув1 и kув2 – коэффициенты сопротивления боковому уводу шин переднего и заднего мостов соответственно.
Из выражений (5), (7) и (8) определяется критическая скорость автомобиля по условиям управляемости:
У автомобилей с недостаточной или нейтральной поворачиваемостью критическая скорость vув отсутствует, так как при δ2 δ1 подкоренное выражение отрицательно, а при δ2 = δ1 оно равно бесконечности.
Устойчивость автомобиля в движении. Боковой увод
Для безопасности автомобиля большое значение имеет его устойчивость во время движения. Управление транспортным средством должно быть максимально простым, недопустимы неожиданные рывки автомобиля, а в случае, если водитель растеряется и временно выпустит из рук руль, то автомобиль должен самостоятельно продолжать прямолинейное движение. Попытки создать полностью автоматизированную систему управления автомобилем до сих пор не увенчались успехом, да и в будущем применение таких систем будет ограничено главными магистралями. Поэтому с субъективной ролью водителя в безопасности движения автомобиля предстоит еще долго считаться.
В первую очередь рассмотрим прямолинейное движение автомобиля. Если автомобиль под действием какой-либо внешней силы, например бокового ветра, наезда на препятствие и т. д., отклонится от первоначального направления движения, то его колеса также отклонятся от первоначального направления, что приведет к увеличению сопротивления их качению. Под действием возросшего сопротивления автомобиль начнет тормозиться, в его центре тяжести возникнет сила инерции Fd, действующая в направлении первоначального движения. Эту силу можно разложить на составляющие (рисунок 1), действующие вдоль оси автомобиля Fx=Fdcosβ и перпендикулярно к оси автомобиля Fy=Fdsinβ.
Рисунок 1. Боковой увод автомобиля на угол β
при воздействии боковой силы
Боковая сила распределяется между передним и задним мостами в соответствии с их расстоянием до центра тяжести автомобиля. Так на передний мост действует сила F1=Fyb/L, а на задний мост — сила F2=Fyb/L (см. рисунок 1). Под действием силы F1 передние колеса будут катиться с боковым уводом α1 к направлению оси автомобиля, а задние колеса — с боковым уводом α2 (см. рисунок 2).
Рисунок 2. При прохождении поворота в центре тяжести автомобиля возникает центробежная сила, которая обусловливает боковой увод отдельных колес
Если боковой увод передних колес больше, чем задних, то автомобиль стремится вернуться в положение первоначального направления движения (на рисунке 1 это показано пунктирной линией). В этом случае автомобиль считается устойчивым по направлению; он возвращается к первоначальному направлению движения без участия водителя.
Если боковой увод передних и задних колес одинаков, то автомобиль стремится продолжать движение под углом β—α к оси автомобиля; автомобиль считается нейтральным по направлению. В этом случае водитель должен принять участие в управлении, чтобы автомобиль не сошел самопроизвольно с дороги.
Подобная картина, наблюдается при прохождении автомобилем поворота. В этом случае в центре тяжести автомобиля возникает центробежная сила, которую можно разложить по осям автомобиля и которая вызывает боковой увод шин (рисунок 2). Действительный центр поворота F автомобиля находится впереди заднего моста (см. рисунок 3).
Рисунок 3. Действительный центр поворота двухосного автомобиля
При большем отклонении передних колес автомобиль стремится вернуться к первоначальному направлению движения. Для точного прохождения поворота водитель должен довернуть рулевое колесо на некоторый дополнительный угол. В данном случае считается, что такой автомобиль имеет недостаточную поворачиваемость. Автомобиль оказывает большее сопротивление повороту и стремится сохранить первоначальное направление движения. Такой автомобиль больше подходит для менее опытного водителя.
Если боковой увод задних колес больше, то автомобиль под действием центробежной силы произвольно поворачивается в сторону поворота сильнее, чем это соответствовало бы углу поворота передних колес, и водитель при прохождении поворота должен несколько недовернуть рулевое колесо. Если этого не сделать, автомобиль может выехать к внутренней по отношению к повороту обочине дороги или его занесет. Такой автомобиль имеет избыточную поворачиваемость. Большая избыточная поворачиваемость представляет опасность и требует от водителя большого искусства. Умеренная избыточная поворачиваемость иногда даже желательна, особенно у спортивных автомобилей. Автомобиль в этом случае проходит поворот легче, управление им меньше утомляет водителя. При прохождении поворота на границе заноса водитель должен следить за положением задка автомобиля, чтобы своевременно принять необходимые меры.
При превышении допустимой скорости автомобиль с недостаточной поворачиваемостью может выйти за пределы поворота, если не принять необходимых мер.
Аэродинамическую устойчивость автомобиля необходимо учитывать, если боковая сила, действующая на автомобиль, вызвана сильным боковым ветром. При этом большую роль играет положение точки приложения боковой силы, вызванной аэродинамическим распределением давлений на поверхность кузова автомобиля. Положение этой силы будем рассматривать по отношению к нейтральной оси автомобиля. Если боковая сила действует параллельно нейтральной оси автомобиля, то боковой увод передних и задних колес одинаков. Тем самым одновременно определяется и нейтральная ось автомобиля, которая, однако, может и не проходить через центр тяжести автомобиля. Вместе с тем она и не слишком удалена от центра тяжести.
На рисунке 4 показаны боковые уводы колес и траектории движения автомобиля при действии боковой силы Fy.
Рисунок 4. Траектория движения автомобиля под действием бокового ветра
В последнем случае боковая сила приложена впереди нейтральной оси и боковой увод передних колес больше, чем задних. При этом автомобиль не только смещается вперед, но и поворачивается в направлении действия ветра, что показано линией В. Это наиболее опасный случай, так как автомобиль является аэродинамически неустойчивым.
Точка приложения аэродинамических сил чаще всего находится в передней половине автомобиля. Чем автомобиль совершеннее с аэродинамической точки зрения, тем больше эта точка при воздействии бокового ветра смещается вперед; так что иногда она может оказаться впереди переднего моста. Для того чтобы сместить точку приложения аэродинамических сил в заднюю половину автомобиля, необходимо увеличить профильную площадь его задней части и сопротивление боковому ведру, например, с помощью специальных элементов, имеющих большую площадь (крыльев). По этой причине автомобиль с кузовом типа «универсал» является наиболее аэродинамически устойчивым.
Улучшение аэродинамической устойчивости автомобиля путем изменения давления в шинах достаточно сложно. У автомобиля центром тяжести, расположенным ближе к заднему мосту, можно добиться лучшей устойчивости путем снижения давления в передних шинах. Это позволит сместить точку приложения аэродинамических сил вперед по отношению к нейтральной оси на необходимое расстояние хотя бы за счет того, что нейтральная ось из-за меньшего давления в передних шинах будет находиться позади центра тяжести автомашины. Автомобиль станет аэродинамически неустойчивым. Если же предотвратить это, увеличив давление в передних шинах, автомобиль приобретет излишнюю поворачиваемость, что нежелательно. Далее будет рассмотрено также влияние подвески колес на устойчивость автомобиля в движении.
У некоторых спортивных автомобилей задняя часть кузова вертикально срезана, а крыша заканчивается сверху направляющим крылом. Главным назначением этого крыла с отрицательным углом атаки является создание аэродинамической силы, которая бы прижимала задний мост к земле. Этот эффект играет очень важную роль прежде всего при торможении автомобиля. Кроме того, он позволяет на высокой скорости проходить поворот, потому что сила прижатия (нагрузка) на ось увеличивается, как бы увеличивая вес, а значит, и центробежные силы, действующие на автомобиль.
Крыло увеличивает также и аэродинамическую устойчивость, способствуя увеличению сопротивления задней части автомобиля, благодаря чему и центр приложения равнодействующих сил сопротивления смещается назад, ближе к нейтральной оси или даже за нее.
Для увеличения аэродинамической устойчивости автомобиля иногда применяются и вертикальные крылья-стабилизаторы. Часто эти стабилизаторы устанавливают на автомобили, подготавливаемые к установлению рекордов скорости. При прямолинейном движении стабилизатор почти не оказывает сопротивления. Но при отклонении оси автомобиля от направления движения (при заносе) сила сопротивления значительно возрастает, а поскольку она действует позади центра тяжести машины, то стремится вернуть транспортное средство в первоначальное положение.
—>
а
б
в
