ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ

Кафедра «Сервис и техническая эксплуатация автотранспортных средств»

Конструкция, расчет и потребительские свойства автомобилей

РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ, СИСТЕМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ

Учебное пособие

9. РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОСТИ АВТОМОБИЛЯ

9.3. Поворот автомобиля с эластичными колесами и условия сохранения управляемости

     При качении эластичного колеса автомобиля, нагруженного боковой силой, отпечаток на дорожном покрытии повернется относительно плоскости колеса, и оно будет двигаться не в плоскости своей симметрии, а под углом δ к ней (рис.19). Угол поворота δ называют углом увода колеса.

Рис.19. Схема колеса, нагруженного боковой силой

     При движении автомобиля боковая сила может быть центробежной при повороте, может быть ветровой нагрузкой или составляющей силы веса автомобиля при его движении по дороге, имеющей поперечный уклон.
     Результаты большого числа экспериментов, проведенных в различных странах различными исследователями, показали, что зависимость между углами увода и боковыми силами в общем случае нелинейна. При малых углах увода изменение отношения Р_б/δ сравнительно невелико и может считаться постоянным (Р_б/δ=К_у=const), а зависимость Р_б=f(δ), следовательно, - линейной. Отношение Рб/δ получило название коэффициента сопротивления уводу.
     Коэффициент сопротивления уводу К_у зависит от большого числа факторов, основными из них являются: размеры и конструкция колеса; давление воздуха в шине; величина сил, действующих на колесо; скорость движения; тип и состояние дорожного покрытия; форма траектории движения центра колеса (прямолинейная, криволинейная, кривизна траектории и скорость ее изменения по времени или пути); характер приложения сил, действующих на колесо, и скорость изменения этих сил.
     Для шин легковых автомобилей отечественных марок «Москвич» и ГАЗ «Волга» коэффициент сопротивления уводу К_у имеет значения соответственно 360 и 470 Н/град.
     При движении автомобиля с жесткими колесами центр его поворота определяется точкой О (рис.20) пересечения прямых, являющихся продолжениями осей колес, а расстояние от этой точки до продольной плоскости симметрии автомобиля определяет радиус поворота R.

Рис.20. Схема поворота автомобиля с эластичными колесами

     Радиус поворота

где α – средний угол поворота управляемых колес.
     При повороте автомобиля с эластичными колесами под действием центробежной силы возникает увод каждого колеса, что приводит к смещению центра поворота. Центр поворота О' в этом случае будет лежать на пересечении перпендикуляров, восстановленных из середины переднего и заднего мостов к направлениям их движения. Направление движения задней оси будет отклоняться от средней плоскости автомобиля на угол увода δ_В, а направление движения передней оси – на угол увода δ_А.
     Радиус поворота R' автомобиля в этом случае можно определить из схемы на рис.20:

L = AD + BD = O'D tg(α – δ_A) + O'D tgδ_B ;

     Из последнего уравнения следует, что величина действительного радиуса поворота R зависит не только от среднего угла α поворота управляемых колес, а также и от соотношения между углами увода передней δ_A и задней δ_В осей.
     Может быть три случая движения автомобиля:

1. Углы увода передней и задней осей равны (δ_A=δ_B). В этом случае радиус поворота определяется выражением

   

   т.е. он будет приблизительно равен радиусу поворота автомобиля с жесткими колесами.

2. Угол увода передней оси больше угла увода задней оси (δ_A>δ_B). В этом случае:

   

   т.е. радиус поворота автомобиля с эластичными колесами больше радиуса поворота автомобиля с жесткими колесами;

3. Угол увода передней оси меньше угла увода задней оси (δ_A < δ_B). В этом случае

   

   т.е. радиус поворота автомобиля с эластичными колесами будет меньше радиуса поворота автомобиля с жесткими колесами.

     В соответствии с этим автомобиль, имеющий угол увода передней оси больше, чем задней, называют обладающим свойством недостаточной поворачиваемости, а автомобиль, у которого угол увода передней оси меньше чем задней – обладающим свойством излишней поворачиваемости.
     Автомобили, обладающие излишней и недостаточной поворачиваемостью, поразному ведут себя при прямолинейном движении.
     Если к автомобилю с излишней поворачиваемостью и движущемуся прямолинейно приложить боковую силу Р_б , то из-за бокового увода колес траектория его движения изменится. Автомобиль начнет двигаться по окружности с центром, расположенным в точке О (см.рис.20). Центробежная сила инерции Р_ц, как видно из рис. 20, будет направлена в ту же сторону, что и боковая сила Р_б. Это еще увеличит углы увода, уменьшит радиус поворота, а следовательно, увеличит центробежную силу, что снова приведет к увеличению углов увода и т.д. Если при этом водитель не изменит положения управляемых колес для увеличения радиуса поворота, то может начаться занос задней оси автомобиля.
     Составляя схему действия боковой и центробежной сил на автомобиль с недостаточной поворачиваемостью и движущийся прямолиней можно показать, что центробежная сила Р_ц будет направлена противоположно действующей силе Р_б. Это приведет к уменьшению углов увода и выравниванию направления движения автомобиля.
     При движении автомобиля с неповернутыми управляемыми колесами (угол α=0) возможен такой случай, когда произойдет поворот автомобиля и начнется его движение по траектории с радиусом

     Физический смысл явления может быть объяснен тем, что при кратковременном действии боковой силы из-за увода колес автомобиль начинает двигаться по кривой. Возникающая центробежная сила Р_ц увеличивает этот увод и в дальнейшем, даже при прекращении действия кратковременной силы, вызывает движение по кривой все уменьшающегося радиуса.
     Боковая сила может возникнуть из-за порыва ветра, наклона дороги и т.д. Скорость, при которой начнется движение автомобиля по кривой, получила название критической.
     Величина центробежной силы, которая действует на повороте при движении автомобиля с критической скоростью,

     Подставив в это выражение значение радиуса поворота, получим

     Отсюда критическая скорость движения

     Углы увода δ_B и δ_A могут быть выражены:

где P_A и P_B – составляющие центробежной силы, приходящейся на переднюю и заднюю оси автомобиля; a и b – продольные координаты центра масс автомобиля.
     Подставив эти значения δ_A и δ_B в выражение для критической скорости, получим:

или окончательно

где G_A и G_B – составляющие силы веса автомобиля, приходящиеся на переднюю и заднюю оси.
     Анализ последнего выражения позволяет установить, что увеличение продольной базы автомобиля увеличивает его критическую скорость, и критическая скорость изменяется в зависимости от распределения силы веса автомобиля по осям и соотношения коэффициентов сопротивления уводу передней и задней осей.
     Из этого же выражения следует также, что при анализе критической скорости возможны три случая:

1)

Vкр = ∞, т.е. в этом случае критическая скорость весьма велика.

2)

критическая скорость невозможна вообще (автомобиль с недостаточной поворачиваемостью).

3)

критическая скорость может иметь расчетное значение, при котором достаточно появление сколь угодно

малой силы, чтобы автомобиль потерял управляемость (автомобиль с излишней поворачиваемостью).
     Таким образом, для получения хорошей управляемости автомобиль должен иметь параметры, обеспечивающие выполнение первого или второго условия.
     Кроме рассмотренных выше конструктивных и кинематических параметров при анализе управляемости автомобиля необходимо учитывать влияние на управляемость конструкции подвески и форму кузова автомобиля. Влияние конструкции подвески на управляемость автомобиля объясняется зависимостью угла увода колес от их наклона к плоскости дороги. При повороте автомобиля колеса с независимыми (рычажными) подвесками наклоняются в сторону, противоположную от центра поворота, и возникающие при этом дополнительные уводы колес увеличивают уводы от действия центробежных сил инерции. Чтобы не создавать для автомобиля условий избыточной поворачиваемости и тем самым повысить его управляемость, задние колеса автомобилей, как правило, устанавливают на зависимых подвесках.
     Форма кузова легкового автомобиля оказывает существенное влияние на управляемость потому, что она определяет точку (метацентр) приложения равнодействующей сил, вызванных боковым ветром. Рассмотрим схему сил, действующих на прямолинейно движущийся автомобиль при наличии бокового ветра (рис. 21). Боковая сила P_б, вызванная ветром, приложена в метацентре кузова. У одних автомобилей эта точка расположена перед центром масс, у других – за ним.

Рис.21. Схема сил, действующих на автомобиль при боковом ветре

     Действие бокового ветра вызывает увод передней и задней осей автомобиля. Если метацентр расположен впереди центра масс, то автомобиль начнет поворачиваться в направлении действия ветра. Это вызовет появление центробежной силы P_ц, которая, образуя с силой ветра Р_б момент, увеличит стремление автомобиля к повороту. Если метацентр расположен за центром масс автомобиля, то при действии бокового ветра (боковая сила Р_б') автомобиль будет стремиться повернуться против ветра. Возникшая при этом центробежная сила Р_ц' будет стремиться уменьшить поворот автомобиля. Поэтому для обеспечения автомобилю наилучшей управляемости при боковом ветре необходимо кузову придавать такую форму, чтобы метацентр был расположен за центром масс. Для смещения метацентра назад понижают капот двигателя, а в задней части применяют высокое оперение задних крыльев.

О ПОСОБИИ            НАЗАД            ВПЕРЕД            СОДЕРЖАНИЕ            СПИСОК ПОСОБИЙ