книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

Рассмотрим равновесие кузова, на который при поперечном крене действуют силы GK, PKV и реакции подвески. Принимая при малых значениях угла фкр поперечное смещение центра тя­ жести (в м)

угол крена (в рад) можно определить следующим образом:

где суа — угловая жесткость подвески автомобиля, равная отно­ шению момента, вызывающего крен кузова, к углу крена в Н-м/рад.

Угол крена увеличивается при возрастании поперечной силы и плеча крена и уменьшается с повышением угловой жесткости

В результате крена центр тяжести кузова смещается по направ­ лению действия поперечной силы, вследствие чего дополнительно нагружаются внешние колеса и еще больше разгружаются внут­ ренние. Поэтому при крене кузова увеличивается вероятность опрокидывания автомобиля. Если при определении скорости vQ и угла ро учесть также и крен кузова, то их значения окажутся на 10—15% меньше, чем при расчете по формуле (226) и (231).

200

§ 3. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ПОПЕРЕЧНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

Потеря поперечной устойчивости наблюдается чаще всего во время торможения, так как при этом в контактах ниш с дорогой дей­ ствуют большие тормозные силы, вследствие. чего колеса не могут без скольжения воспринимать даже небольшие попереч­ ные силы. При блокировке колес их движение становится не­ устойчивым.

Причиной нарушения устойчивости автомобиля при торможе­ нии может быть неравномерное распределение тормозной силы между колесами, вызванное замасливанием фрикционных накладок или неправильной регулировкой тормозов. Неравномерность рас­ пределения тормозных сил у передних колес, как правило, опас-

нее, чем у задних. Если у автомобиля заторможено лишь одно заднее колесо, например, правое (на рис. 87, а оно условно заштри­ ховано), а другое (левое) катится свободно, то автомобиль отклоня­ ется вправо от прямолинейного движения. Расстояние sn от центра тяжести до заторможенного колеса при .этом уменьшается, сле­ довательно, уменьшается также и поворачивающий момент, созда­ ваемый силой инерции Ри.

При неисправности одного из передних тормозов (рис. 87, б) плечо s4 во время торможения увеличивается, что способствует дальнейшему отклонению автомобиля в сторону. Поэтому неис­ правность передних тормозов опаснее, чем задних.

Такое, же явление происходит в результате качения затормо­ женных колес одной стороны автомобиля по скользкому участку дороги, а другой стороны — по покрытию с большим значением коэффициента, ф.

201

Поперечная устойчивость прп торможении может быть также нарушена из-за неправильной укладки груза в кузове. Если центр тяжести груза не совпадает с продольной осью автомобиля, то сила инерции Р„, возникающая при торможении, создает поворачи­ вающий момент на плече хц (рис. 88, а). Если при этом блокиро­ ваны передние колеса (на рис. 88, а они условно заштрихованы), то сила сцепления их с дорогой меньше, чем у задних колес,

ипоэтому во время торможения автомобиль под действием момента

РиХц поворачивается относительно средней точки задней оси. Плечо sn в этом случае быстро уменьшается до нуля, и поворот автомобиля прекращается. Если же у автомобиля блокированы задние колеса (рис. 88, б), то автомобиль поворачивается отно­ сительно средней точки передней оси, причем плечо s4 непрерывно возрастает, что увеличивает опасность заноса.

Торможение автомобиля с неотъеднненным от трансмиссии двигателем повышает поперечную устойчивость автомобиля, так как тормозную силу, вызванную трением в двигателе и трансмиссии, дифференциал распределяет поровну между задними колесами. Это уменьшает неравномерность распределения тормозных сил, возникающую из-за различных тормозных моментов или коэффи­

циентов сцепления, и снижает склонность автомобиля к заносу.

§ 4. ПРОДОЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

В случае потери продольной устойчивости автомобиль может опрокинуться относительно передней или задней оси либо сколь­ зить (сползать) в продольном направлении. У современных авто­ мобилей с низко расположенным центром тяжести опрокиды­ вание в продольной плоскости мало вероятно. Возможно лишь буксование задних колес, вызывающее сползание автомобиля, например, во время динамического преодоления автопоездом крутого подъема большой длины. Преодолевая такой подъем, автопоезд может израсходовать запас кинетической энергии до конца подъема, п сумма сил сопротивлений окажется больше силы тяги.

Чтобы определить максимальный угол подъема, который при равномерном движении может преодолеть автопоезд без буксо­ вания ведущих колес тягача, вернемся к схеме сил, действующих на автомобиль (см. рис. 48). Примем для упрощения, что силы Р Н1,

ция Х 2 — силе тяги Рг, максимальное значение которой ограни­ чено сцеплением ведущих колес тягача с дорогой и равно произ­ ведению фд:Z2. Тогда, подставляя в уравнение (123) значения момента

202

Глава XIV

УПРАВЛЯЕМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

§ I. ПОКАЗАТЕЛИ УПРАВЛЯЕМОСТИ АВТОМОБИЛЯ

Во время движения автомобиля обстановка на улицах и дорогах непрерывно изменяется, что требует от водителя повышенного внимания и постоянной готовности изменить характер движения автомобиля для предотвращения дорожно-транспортного проис­ шествия. Поэтому, кроме устойчивости автомобиля, его конструк­ ция должна обеспечивать возможность легкого и быстрого измене­ ния положения автомобиля на дороге. Большое влияние на управ­ ляемость автомобиля оказывают рулевое управление, подвеска и шины.

Для обеспечения хорошей управляемости необходимо, чтобы автомобиль удовлетворял следующим требованиям:

управляемые колена при повороте автомобиля катились без бокового скольжения;

поперечная эластичность шин была подобрана таким образом, чтобы на повороте автомобиль двигался по дуге большего радиуса, чем автомобиль с жесткими в поперечном направлении шинами; рулевой привод обеспечивал правильное соотношение углов

поворота управляемых колес; управляемые колеса во время прямолинейного движения сохра­

нили нейтральное положение и автоматически возвращались к не­ му при выходе автомобиля из поворота;

исключались произвольные угловые колебания управляемых колес.

Степень соответствия конкретной конструкции автомобиля каждому из перечисленных выше требований оценивают особым показателем.

§ 2. УСЛОВИЕ КАЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС БЕЗ СКОЛЬЖЕНИЯ

На рис. 80 показан автомобиль при'его движении на повороте. Управляемые колеса автомобиля повернуты относительно ней­ трального положения, занимаемого ими во время прямолинейного движения, на средний угол 0.

К передней оси приложена сила Р, составляющая Рх которой, параллельная управляемым колесам, при равномерном движении

204

автомобиля преодолевает силу сопротивления качению РК1 = fGx и равна ей по величине. Следовательно, поперечная составляющая силы Р сила (в Н)

На переднюю ось действует ташке центробежная сила передней части автомобиля, направленная от центра поворота вдоль ра­ диуса Rp.

где Mi — масса автомобиля, приходящаяся на переднюю ось. Силы Ру1 и РЦ1 стремятся вызвать боковое скольжение управ­ ляемых колес. Чтобы колеса катились без скольжения, необхо­

димо соблюдение условия (235):

Сила РЦ1прямо пропорциональна квадрату скорости, и поэтому скольжепие колес наиболее вероятно при движении автомобиля с большой скоростью.

Критической скоростью уупр по условиям управляемости назы­ вают скорость, с которой автомобиль может двигаться на пово­ роте без бокового скольжения управляемых колес. Эту скорость определим из выражений (244) — (246):

■W-]/Р^-/)»1соа"- <М7>

Если скорость автомобиля больше скорости уупр, то управляе­ мые колеса прп повороте проскальзывают в поперечном направ­ лении, так как поворот колес не изменяет направления его дви­ жения. Критическая скорость уупр уменьшается при увеличении угла 0. Чем меньше радиус поворота автомобиля, тем меньше должна* быть его скорость, так как иначе пачнется боковое сколь­ жение управляемых колес.

На дорогах с твердым покрытием коэффициент / обычно во много раз меньше коэффициента ф, и поэтому автомобиль сохра­ няет управляемость даже на кривых малых радиусов.

При движении по дорогам с неровным обледенелым покры­ тием, а также по леску или снегу значения коэффициентов ф и / сближаются, причем разность ф2 — /2 уменьшается, что приводит к снижению критической скорости.

Если Ф = '^ д , т0 подкоренное выражение равно нулю,

и автомобиль может поворачиваться лишь с весьма малой ско­ ростью.

Если ф < , то автомобиль становится неуправляемым,

так как скорость уупр является мнимой величиной.

205

Критическая скорость по условиям управляемости может быть меньше, чем критические скорости по условиям заноса п опрокидывания. Это означает, что потеря автомобилем упра­ вляемости является не менее вероятной и опасной, чем потеря устойчивости.

В случае полного скольжения передних колес, папример в результате их блокировки при торможении, поперечная реак­ ция дороги возникнуть не может. В этом случае поворот передних колес не изменяет направления их движения, и автомобиль теряет управляемость.

Пример. Определить критическую скорость по условиям управляемости рассчитываемого автомобиля, если 0 = 20° (lg 20° = 0,364; cos 20° = 0,94); tp = 0,2; / = 0,04.

Критическая скорость

§ 3. УВОД КОЛЕСА И ПОВОРАЧИВАЕМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

Выше было рассмотрено качение колеса при отсутствии попереч­ ной силы. Качение эластичного колеса, нагруженного поперечной силой, имеет свои особенности, так как шина эластична не только в радиальном, но и в поперечном направлении и деформируется под действием поперечной силы. Поэтому колесо с пневматической шпной может катиться по дороге без скольжения под некоторым углом к своей средней плоскости. Такое качение называют уводом

Еслп на колесо действуют только силы Р, и Рх (рис. 89), то при качении колеса точка В шины прикоснется к дороге в точке В1г а точка С — в точке Сх и т. д. Средняя плоскость колеса совпадает с прямой ADlt вдоль которой направлена касательная реакция X.

Приложим к колесу поперечную силу Р . Шина, обладающая эластичностью в поперечном направлении, при этом изогнется, а средняя плоскость колеса сместится относительно центра кон­ такта 0 на расстояние Ьш. При качении колеса точка В шины войдет в соприкосновение с дорогой в точке В2, а точка С — в точке Со и т. д. В результате колесо покатится по направлению AD2. При этом средняя плоскость колеса окажется расположенной под углом буВ к направлению движения. Средняя линия кон­ такта, приблизительно совпадающая с направлением движения, также будет расположена под углом був к средней плоскости колеса. Таким образом, колесо будет катиться с уводом, угол которого равен був.

206

Во время увода колеса к передней части контакта приближа­ ются элементы шины, менее деформированные в поперечном нап­ равлении (участок кк), чем в задней (участок пп). Поэтому эле­ ментарные поперечные реакции в передней части контакта меньше, чем в задней, и эпюра элементарных поперечных реакций имеет форму, близкую к треугольной. Равнодействующая Y, равная по величине силе Ру, оказывается смещенной относительно центра контакта на расстояние сш; смещена также на расстояние Ьш и реакция X. В результате увода проекция центра колеса на пло­ скость дороги (точка 0Х) не совпадает с центром контакта 0, а силы

X и Y создают моменты, стремящиеся повернуть колесо вокруг шкворня. Значение этих моментов для движения автомобиля выяс­ ним ниже.

Увод может быть вызван также установкой управляемых колес под углом к направлению движения (схождением) и с наклоном к вертикали (развалом).

При малых значениях силы Ру проскальзывание в контакте шины с дорогой невелико, и колесо изменяет направление дви­ жения главным образом вследствие упругих деформаций шины. Если сила'Ру приближается по величине к силе сцепления, начи­ нается интенсивное проскальзывание в задней части контакта, которая более нагружена поперечными силами. Когда сила Р у равна силе сцепления, наблюдается проскальзывание шины в зоне

207

V

контакта ее с дорогой, вызывающее боковое перемещение колеса. В этом случае происходит уже не увод, а сложное движение ко­ леса (качение с одновременным боковым скольжением) под неко­ торым углом, равным углу между средней плоскостью колеса и направлением его движения.

На рис. 90, а показан примерный график зависимости угла увода був от поперечной силы Ру, приложенной к колесу. При небольших значениях силы Ру угол увода приблизительно пропор­ ционален ее величине, и участок АВ' можно считать прямолиней­ ным. Увеличение силы Ру вызывает проскальзывание в контакте, в результате чего линейная зависимость нарушается (участок В'С).

Рис. 90. Зависимость угла увода от поперечной силы:

а — общий вид; б — для шины размером 6,40 — 13; 1 и 2 — нагрузка на шину равна 6,0 кН; з и 4 — нагрузка равна 2,0 кН: сплошные кривые — давление составляет 0,17 МН/м2; штриховые — 0,12 ЫН/м1

В случае увеличения силы Ру до значения силы сцепления сруЪ начинается полное скольжение шины.

к колесу, чтобы оно катилось с углом увода, равным 1 рад, в Н/рад.

Для малых углов увода (до 4—6°) коэффициент /сув прибли­ женно можно считать постоянным. Для шин легковых автомоби­ лей он находится в пределах 15—40 кН/рад, а для шин грузрвых автомобилей и автобусов — в пределах 30-*-90 кН/рад.

Чем меньше коэффициент сцепления сру, тем меньше величина поперечной силы, вызывающей полное скольжение колеса. Так,

208

для кривой АВ 'С значение сру приблизительно вдвое больше, чем для кривой АВ"С".

На рис. 90, б приведены экспериментальные зависимости угла увода от поперечной силы для шины размером 6,40—13 при двух значениях воспринимаемой ею вертикальной нагрузки: 2,0 кИ (кривые 3 и 4) и 6,0 кН (кривые 1 и 2) при двух значениях давле­ ния воздуха в шине (сплошные кривые соответствуют давлению

В частности, прямолинейный участок в начале кривой у них отсутствует, и поэтому считать коэффициент /сув постоянным можно лишь с известным приближением. Увеличение вертикаль­ ной нагрузки и давления воздуха в шине сопровождается возраста­ нием сопротивления уводу шипы и поперечной силы, вызывающей полное скольжение.

При уводе шина деформируется не только в радиальном, но

и в поперечном направлениях, вследствие чего внутреннее трение

вшине увеличивается. Кроме того, прп больших углах увода ча­ стицы протектора интенсивно проскальзывают по дороге. В резуль­ тате при уводе сила, необходимая для качения кйлеса, резко возрастает. По опытным данным, сила, необходимая для качеиия колеса с уводом 6—7Р, может быть в несколько раз больше силы, которую нужно приложить к нему прп качении без увода.

Увод шин исследуют на стендах или динамометрических тележ­ ках, сходных по конструкции с теми, которые используют для определения коэффициентов / и ср. Устанавливая шину под различ­ ными углами к направлению движения, определяют влияние

скорости, вертикальной нагрузки и других факторов на увод. Во время дорожпых испытаний углы увода определяют при движении автомобиля по прямой или по окружности. В первом случае на оси колеса закрепляют фотоаппарат объективом вниз и так, чтобы продольные границы кадра были параллельны про­ дольной осп автомобиля. Во время движения автомобиля поверх­ ность дороги фотографируют с некоторой выдержкой, в результате чего отдельные пятиа и царапины на дорожном покрытии выглядят на снимке в виде лилий. Прп качении колеса с уводом (например, вследствие поперечного наклона дороги) линии на снимке распо­ лагаются относительно границ кадра под некоторым углом, рав­

ным углу увода шипы.

Чтобы определить углы увода осей при криволинейном движе­ нии, на автомобиль устанавливают бачок с двумя трубками, концы которых укрепляют посередине осей автомобиля на неболь­ шом расстоянии от дороги. В бачок заливают подкрашенную воду и накачивают воздух до давления 0,2—0,3 МН/м2. Во время движения автомобиля по окружности кран бачка открывают, и вода под давлением вытекает из трубок, образуя на дороге две окружности. Окружность радиуса Вг (рис. 91) представляет собой

209