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

траекторию движения середины передней оси, а окружность радиуса R — траекторию движения середины задней оси. При малой скорости влиянием увода можно пренебречь и считать, что автомобиль движется по такой же траектории, по которой бы он двигался, если бы имел шины, жесткие в поперечном направле­ нии. Замерив радиусы R1 и R 2, определяют величину среднего угла 6 поворота управляемых колес по формуле

Затем испытание повторяют при том же положении управляе­ мых колес, но при движении с большей скоростью. Радиусы окруж­ ностей при этом вследствие увода станут равными R13 и R*э, как

Рис. 91. Схема движения автомобилей с жесткими и эластичными шинами

показано на рис. 91, а центр окружности переместится из точки О

Сравним управляемость автомобилей с жесткими и эластичными в поперечном направлении шинами. Для этого определим радиус поворота середины задней оси автомобиля с эластичными и жест-

210

ними шинами. В соответствии с рис. 91 можно написать, что база (в м)

Следовательно, если траектория движения автомобиля с жест­ кими шинами зависит только от угла поворота управляемых колес, то у автомобиля с шипами, эластичными в поперечном направле­ нии, она зависит также и от углов увода и 62. Автомобиль с эластичными шинами может под действием поперечной силы двигаться криволинейно, даже если управляемые колеса нахо­ дятся в нейтральном положе­

нии и угол 0 равен нулю.

Р'пс. 92. Движение автомобиля с нейтральной поворачиваемостью:

а — криволинейное; б — прямолинейное

Под поворачиваемостью подразумевают свойство автомобиля с эластичными шинами отклоняться вследствие увода от на­ правления движения, определяемого положением управляемых колес.

Если углы увода передней и задней осей равны между собой, • то поворачиваемость автомобиля называют нейтральной. Хотя при этом согласно формуле (252) радиус R = траектория движения автомобиля с жесткими шинами не совпадает с траек­ торией движения автомобиля, имеющего нейтральную повора­ чиваемость, так как центры поворота в этих случаях занимают

211

различные положения. В качестве примера на рис. 92, а показаны траектории движения центра тяжести автомобилей с жесткими (вокруг центра О) и с эластичными шинами (вокруг центра Ог). В случае действия поперечной силы на автомобиль, имеющий жесткие шины, он сохраняет прежнее направление движения, если эта сила не увеличится до значения силы сцепления. Авто­ мобиль, имеющий нейтральную поворачиваемость, под действием поперечной силы движется также прямолинейно, но под углом 6ув к прежнему направленшо движения АА (рис. 92, б), т. е. по линии ВВ. Для движения по направленшо АА водитель должен повернуть автомобиль так, чтобы его продольная ось была расположена под углом к направлению движения АА, равным углу 6ув.

Если угол бх > 62, то радиус Вэ > R, и для движения автомо­ биля с эластичными шинами по кривой радиуса R управляемые колеса нужно повернуть на угол, больший, чем при жестких шинах. В этом случае поворачиваемость автомобиля называют недоста­ точной. Под действием поперечной силы Ру (рис. 93, а) при пря­ молинейном движении передняя ось автомобиля с недостаточной поворачиваемостыо в результате увода начнет двигаться под углом бх к ррежнему направлению движения, а задняя ось — под углом б2. Следовательно, автомобиль при нейтральном положении управляемых колес движется криволинейно, поворачиваясь во­ круг центра Ох. В результате поворота возникает центробежная сила, поперечная составляющая РЦу которой направлена в этом случае в сторону, противоположную силе Ру, что уменьшает ре­ зультирующую поперечную силу и увод шин. Следовательно,

212

автомобиль с недостаточной поворачиваемостыо устойчиво сохра­ няет прямолинейное направление движения.

Если угол S-l< 62) то радиус Ra < R, и для движения авто­ мобиля с эластичными шинами по кривой радиуса R управляемые колеса нужно повернуть на угол, меньший, чем при жестких шинах. В этом случае поворачиваемость автомобиля называют излишней. Если к автомобилю с излишней поворачиваемостыо, который движется прямолинейно, приложить поперечную силу, то он тоже начнет двигаться криволинейно (рис. 93, б). Однако поперечная составляющая Рцу центробежной силы в этом случае направлена в ту же сторону, что и поперечная сила Ру. В резуль­ тате увод возрастает, что увеличивает кривизну траектории и силу РЦу и т. д. Если водитель не повернет управляемые колеса в нужном направлении, то центробежная сила может увеличиться настолько, что автомобиль потеряет управляемость или устойчи­ вость.

Таким образом, автомобиль с недостаточной поворачиваемостыо более устойчив и лучше сохраняет направление движения, чем автомобиль с излишней поворачиваемостыо. Кроме того, при движении автомобиля с излишней поворачиваемостыо возможна потеря управляемости.

Чтобы объяснить это положение, определим из формулы (252)

Углы увода 6j и 62 пропорциональны поперечным силам Р х п P yi, которые, в свою очередь, пропорциональны квадрату ско-

венно передней и задней осей в кН/рад.

При повышении скорости автомобиля углы увода также уве­ личиваются, причем угол б2 увеличивается быстрее угла бг. Это вызывает уменьшение правой части выражения (254), которая при некоторой так называемой критической скорости нув оказывается равной нулю. При этой скорости автомобиль начинает двигаться криволинейно, хотя его управляемые колеса находятся в нейтраль­ ном положении. Если скорость больше vyB, то разность (62 — б2) > > L/Ra, и угол 8 становится отрицательным. Это означает, что для поворота автомобиля вправо передние колеса нужно по­ вернуть влево. Следовательно, автомобиль с излишней повора­ чиваемостыо теряет управляемость, если его скорость больше критической скорости уув.

213

Для определения этой скорости, приравняв угол 0 нулю, подставим в формулу (254) разность углов 62 и 6Х, полученную из выражений (255) и (256):

Следовательно, критическая скорость (в м/с)

(257)

У автомобиля с недостаточной или нейтральной поворачпваемостыо критическая скорость отсутствует, так как при /> 62 подкоренное выражение отрицательно, и скорость vyn является мнимой величиной, а при бг = б2 она равна бесконечности.

Пример. Определить критическую скорость гув рассчитываемого легко­ вого автомобиля при движении без пассажиров, если коэффициенты сопро­

Следовательно, при таких значениях коэффициентов сопротивления уводу автомобиль ие имеет критической скорости и обладает недостаточной поворачнваомостыо.

Чтобы обеспечить недостаточную поворачнваемость автомо­ биля, несколько уменьшают давление воздуха в шипах передних колес по сравнению с давлением в шинах задних колес и тем самым снижают значение коэффициента Агув1. Кроме того центр тяжести автомобиля немного смещают в сторону передней оси, что увели­ чивает составляющую центробежной силы, действующую на управ­ ляемые колеса.

Существенное влияние на управляемость автомобиля оказы­ вает поперечный крен кузова, который может вызвать поворот оси автомобиля в горнзонатальной плоскости или изменить раз­ вал управляемых колес.

Иа рис. 94 показана задняя ось с зависимой рессорной под­ веской автомобиля, который совершает правый поворот. Перед­ ние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а зад­ ние — с помощью серьги. При прогибах рессоры задияя ось пере­ мещается по дуге ММ, причем ось ее качания расположена около шарнира. Под действием поперечной силы Р Ку кузов автомобиля наклоняется, вызывая сжатие рессор с одной стороны автомобиля (левых на рис. 94) и распрямление рессор — с другой стороны. При этом левая рессора, сжимаясь, перемещает заднюю ось назад (в точку А), а правая, наоборот,' распрямляясь, перемещает ее вперед (в точку В). В результате задняя ось поворачивается в го­ ризонтальной плоскости, как показано штриховой линией. Это способствует уменьшению радиуса поворота и равносильно повы-

214

шеншо склонности автомобиля к излишней поворачиваемостн. Соединив передний конец рессоры с кузовом с помощью серьги, а задний — посредством простого шарнира, можно усилить недо­ статочную поворачиваемость автомобиля.

Влияние развала управляемых колес на управляемость авто­ мобиля объясняется явлением увода. Угол увода, вызванный раз­ валом, прямо пропорционален углу развала а р. Один градус развала вызывает увод шины на угол, равный в среднем 10—15'.

У автомобиля с зависимой подвеской при поперечном крене кузова развал колес почти не изменяется, и поэтому увод возни­ кает лишь вследствие действия поперечной силы. У автмообиля же с независимой подвеской развал колес при этом может изме­ няться в широких пределах. Так, например, при подвеске на двух поперечных рычагах (см. рис. 85, а) управляемые колеса в резуль­ тате поперечного крепа кузова наклоняются в сторону действия поперечной силы, что увеличивает увод. Используя эту особен­ ность конструкции подвески, можно обеспечить необходимую поворачиваемость автомобиля.

§ 4. СООТНОШЕНИЕ УГЛОВ ПОВОРОТА УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС

При повороте автомобиля векторы скоростей центров всех колес перпендикулярны.радиусам, проведенным из центра поворота О (см. рис. 92, а). У автомобиля, имеющего шины, жесткие в поперечном

215

направлении векторы скоростей совпадают со средними плоскос­ тями колес, следовательпо, центр поворота О находится па про­ должении задней оси. Соотношение между углами 0„ поворота

где Ьшк — расстояние между центрами шкворпей, равное прибли­ зительно колее управляемых колес, в м.

Из равенства (259) следует, что углы 0Ни 0Вне равны. Колесо, внутреннее по отношению к центру поворота, должно быть повер­ нуто на больший угол, чем внешнее.

Поворот управляемых колес на различные углы осуществляют рулевой трапецией, которая, однако, не может обеспечить точное выполнение условия (259). Поэтому рулевую трапецию конструи­ руют таким образом, чтобы равенство (259) выполнялось при срав­ нительно больших углах поворота, наиболее часто встречающихся в эксплуатации. При углах поворота до 12—15° оба колеса пово­ рачиваются приблизительно иа одинаковые углы, что и позволяет вместо углов 0В и 0„ использовать в расчетах средний угол 0, равный их полусумме, как было сделано выше.

Еслп на автомобиле установлены шины, эластичные в попе­ речном направлении, то векторы скоростей центров колес не сов­ падают со средними плоскостями колес, а образуют с ними углы

не совпадает с центром поворота О автомобиля, имеющего жесткие шины. Изменяется также и соотиошепие углов поворота управ­ ляемых колес, которое необходимо для качения их без бокового скольжения. В этом случае выражение (259) принимает следующий вид:

биля с эластичными шинами угол 0Н меньше отличается от угла

216

должна приближаться к прямоугольнику. Кроме того, по мере увеличения скорости движения автомобиля должно изменяться также соотношение углов поворота управляемых колес. Однако зто может быть достигнуто только путем автоматической регули­ ровки рулевого привода, введение которой весьма усложнит его конструкцию.

а совместно с рулевой трапецией — вокруг шкворней в горизон­ тальной плоскости.

Угловые колебания (виляния) управляемых колес недопустимы, так как детали ходовой части и рулевого управления восприни­ мают при этом значительные знакопеременные динамические нагрузки, а колебания с большой амплитудой приводят к потере управляемости. Наиболее опасными являются устойчивые коле­ бания колес, т. е. такие, которые непрерывно повторяются (самовозбуждаются). Механизм самовозбуждения колебаний очень сложен, и поэтому ниже даны лишь общие понятия о нем.

При возникновении поперечных угловых колебаний (перекаши­ вания) передней оси управляемые колеса, наклоняясь, изменяют свое положение относительно вертикальной плоскости. В резуль­ тате изменения положения оси вращения колес появляется гиро­ скопический момент М'г, под действием которого управляемые колеса поворачиваются в горизонтальной плоскости вокруг шкворней, сжимая пружины в сочленениях рулевого привода. При повороте колес появляется другой гироскопический момент Mr, который действует в вертикальной плоскости и направлен так, что стремится увеличить перекос оси и наклон колес.

Таким образом, перекашивание передней оси вызывает угло­ вые колебания (виляния) колес, которые, в свою очередь, увели­ чивают перекашивание оси. Так как обе колебательные системы связаны между собой, то колебания передней оси и управляемых колес оказываются строго согласованными: если, например, левое колесо движется вверх, то оно одновременно поворачи­ вается вправо, а если движется вниз, то поворачивается влево. Правое колесо, наоборот, при движении вверх поворачивается влево, а при движении вниз — вправо. Следовательно, если при перекосе оси левое колесо подпрыгивает, то правое в это время сильнее прижимается к дороге, и оба колеса поворачиваются вправо.

Основным средством уменьшения гироскопических моментов и связанных с ними опасных угловых колебаний колес является применение независимых передних подвесок, при которых верти­ кальные перемещения управляемых колес не вызывают большого их наклона.

217

Рассмотренные колебания являются собственными и поэтому зависят только от параметров системы (характеристик упругих элементов, моментов инерции и масс отдельных деталей). Кроме собственных колебаний, при движении автомобиля могут возни­ кать также вынужденные колебания, вызванные периодически действующей возмущающей силой. Такая сила может, например, возникнуть вследствие дисбаланса (неуравновешенности) колес. При вращении неуравновешенного колеса появляется центро­ бежная сила Рц (рнс. 95, а), которую можно разложить на верти­ кальную силу Рц, и горизонтальную РЦх. Под действием силы РЦх колесо стремится повернуться относительно шкворня, а под дейст­ вием силы Рц. — переместиться в вертикальном направлении.

Рпс. 95. Дисбаланс управляемых колес:

а — силы, действующие на неуравновешенные колеса; 6 — схема возник­ новения поворачивающего момента

Так как при качении колеса направления сил РЦхи РЦг изменяются, то возникает виляние колеса. Наиболее неблагоприятен случай, когда оба колоса имеют дисбаланс п неуравновешенные участки расположены в одной плоскости, по с разных сторон от оси вращепия колес (рнс. 95, б). В этом случае поворачивающие моменты, действующие на колеса, складываются, и угловые колебания становятся особенно сильными.

Возмущающие силы появляются при наезде колеса на неровно­ сти, которые могут чередоваться через приблизительно равные промежутки пути. Если автомобиль движется по дороге с таким покрытием, то при определенной скорости частоты вынужденных и собственных колебаний окажутся одинаковыми, т. е. наступит резонанс, при котором колебания непрерывно возрастают, п, чтобы избежать потери управляемости, водителю придется умень­ шить скорость автомобиля.

Виляния управляемых колес могут возникнуть также из-за двойпой связи.этих колес с кузовом автомобиля (с помощью руле­ вого привода и подвески). При прогибах рессоры 2 (рис. 96, а), соединенной с рамой спереди простым шарниром 5, а сзади — серьгой 4, передняя ось 1 перемещается по дуге ММ, причем ось

218

ее качания расположена около шарнира 5. Передний же конец продольной рулевой тяги 3, которая качается относительно пальца рулевой сошки, описывает дугу NN. Кривые М М и NN расходятся, и поэтому вертикальные перемещения колес сопро­ вождаются их поворотами относительно шкворней, что ухудшает

Рис. 96. Колебания колес при несовпадении центров качания передней оси

ипродольной рулевой тяги:

а— серьга рессоры расположена сзади; б — серьга рессоры расположена впереди; в —

управляемость автомобиля и повышает утомляемость водителя. Для уменьшения виляния колес нужно сблизить траектории движения передней оси и переднего конца продольной рулевой тяги. С этой целью передний конец, рессоры соединяют с рамой серьгой, а задний — простым шарниром (рис. 96, б), или рулевой механизм располагают впереди передней оси (рис. 96, в).

§ 6. СТАБИЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС

Стабилизацией управляемых колес называют их свойство сохра­ нять нейтральное положение и автоматически возвращаться к нему.

Управление автомобилем с плохой стабилизацией затрудни­ тельно, так как он при прямолинейном движении постоянно откло­ няется в стороны, вследствие чего водитель вынужден поворотами рулевого колеса поддерживать прямолинейное направление движе­ ния. Частые повороты рулевого колеса повышают утомляемость водителя и увеличивают износ шин и рулевого управления. У автомобиля с хорошей стабилизацией управляемые колеса устойчиво сохраняют нейтральное положение, обеспечивая пря­ молинейное движение даже в том случае, когда водитель не дер­ жит в руках рулевое колесо. В случае выхода из повррота управ­ ляемые колеса у такого автомобиля возвращаются в нейтральное положение без приложения усилия к рулевому колесу, что облег­ чает работу водителя и уменьшает вероятность столкновения автомобиля с препятствиями при движении по кривым с малыми радиусами кривизны.

219