БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЛОМАКИН

1.3.2. Продольная устойчивость

Продольная устойчивость – это устойчивость автомобиля против опрокидывания относительно передней или задней оси.

Потеря автомобилем продольной устойчивости выражается, как правило, в буксовании ведущих колес, особенно часто наблюдаемом при преодолении автопоездом затяжных подъемов со скользкой поверхностью (следствием буксования является сползание назад).

Характеристиками продольной устойчивости служат: максимальная величина подъема αmax , которую автомобиль с прицепом может преодолеть

при установившейся скорости движения без опрокидывания; максимальная (критическая) величина угла подъема αбук , преодолеваемого автомобилем без

буксования ведущих колес.

Рассмотрим общий случай движения автомобиля - ускоренное движение на подъеме прицепом (рис. 1.3.1.).

Рис. 1.3.1. Схемасилпридвиженииавтомобилясприцепомнаподъем Опрокидывание автомобиля через заднюю ось может произойти при

преодолении максимального подъема из-за действия составляющей силы веса PП , силы инерции PИ и при движении с максимальной скоростью из-за силы сопротивления воздуха PВ .

При движении автомобиля на максимальный подъем его скорость бывает мала и поэтому можно пренебречь силой сопротивления воздуха PВ . Можно принять также, что преодоление подъема происходит с установившейся скоростью ( j = 0 ), так как разгон на максимально допустимом подъеме невозможен.

При этих условиях получим выражение, позволяющее определить αmax :

где f – коэффициент сопротивления качению; GПР – вес прицепа, Н;

41

hПР – высота сцепного устройства, м.

При движении по хорошей дороге ( f ≈ 0 ), без прицепа ( PПР = 0 ) величина подъема увеличится и станет равной:

Опрокидывание автомобилей обычных конструкций вокруг передней оси практически невозможно, так как расстояние b > a, а для легковых автомобилей - величина hЦ мала.

Автомобили по своим тяговым качествам или по сцеплению колес с дорогой не всегда могут въехать на предельный по опрокидыванию подъем. Поэтому при проектировании автомобиля необходимо установить, чем ограничивается максимальный угол подъема - опрокидыванием, буксованием или недостатком тяговой силы.

Выражение для определения αбук , при котором возможно равномерное движение автопоезда без буксования ведущих колес тягача, имеет вид:

Согласно формуле, критический угол αбук в большой степени зависит от коэффициента сцепления и массы прицепа. Чем меньше величина ϕx и чем больше масса прицепа по сравнению с массой тягача, тем меньше αбук . Так, на дорогах с обледенелым покрытием буксование может наступить при αбук = 2–

3°, т. е. на относительно пологих подъемах.

Для одиночного автомобиля (типа 2×1) GПР = 0 и αбук будет, естественно,

больше, чем у автопоезда.

Для автомобиля со всеми ведущими мостами (из треугольника сил) tgαбук = PT G cosαбук , следовательно tgαбук =ϕx (по определению).

Такие автомобили могут преодолевать без потери продольной устойчивости весьма крутые подъемы даже при мокром и скользком покрытии

(αбук = 17–19°).

Для того чтобы буксование автомобиля со всеми ведущими колесами началось до его опрокидывания, необходимо соблюдение следующего неравенства:

tgαбук ≤ tgαmax , или ϕ ≤ b . hц

Большинство автомобилей проектируется так, чтобы максимальный подъем ограничивался буксованием ведущих колес, а не опрокидыванием. Однако часто для автомобилей повышенной проходимости, у которых высоко расположен центр масс, а шины с грунтозацепами обеспечивают большие значения коэффициента сцепления, предельные углы по буксованию и опрокидыванию очень близки.

42

1.3.3. Поперечная устойчивость

Условием сохранения равновесия неподвижного или равномерно движущегося автомобиля на уклоне или косогоре является прохождение вектора силы тяжести внутри опорной площади автомобиля – прямоугольника, вершины которого совпадают с точками взаимодействия колес с дорогой (см. рис. 1.3.2.). По мере загрузки автомобиля центр тяжести смешается вверх, вследствие чего даже незначительный уклон дороги может привести к потере устойчивости.

Поперечная устойчивость – это способность автомобиля двигаться по дорогам различного качества без опрокидывания и бокового скольжения относительно боковых правых и левых колес.

Рассмотрим случай прямолинейного движения автомобиля по дороге с поперечным уклоном. Тогда опрокидывающая сила равна составляющей силы веса Gsin β (рис. 1.3.2.).

Рис. 1.3.2. Схема сил при прямолинейном движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном.

Из условия равновесия автомобиля относительно оси проходящей через точки O опоры левых колес получим:

Rz2 B +Ghц sin β −G B2 cos β = 0 ,

где RZ 2 - сумма нормальных реакций на правых колесах;

B- колея автомобиля.

Вмомент начала опрокидывания нормальные реакции на правые колеса автомобиля становятся равными нулю ( RZ 2 =0), тогда:

До опрокидывания может начаться скольжение автомобиля под уклон. Если допустить, что колеса передней и задней осей автомобиля имеют одинаковое сцепление с дорогой и что боковые реакции Ry1 и Ry2

распределяются по осям так же, как и составляющие силы веса, то получим:

Ry1 + Ry2 = G sin β =ϕyG cos β ,

откуда

43

где ϕy – коэффициент сцепления в поперечном направлении.

При условии, когда ϕy B2hц , скольжение колес автомобиля начинается

раньше его опрокидывания.

Теперь рассмотрим случай поворота (криволинейного движения) транспортного средства на косогоре. Потеря поперечной устойчивости при криволинейном движении может привести к прогрессивно нарастающему поперечному скольжению шин по дороге (заносу) или опрокидыванию автомобиля.

Показателями поперечной устойчивости автомобиля при криволинейном движении являются максимально возможные скорости движения по дуге окружности и угол поперечного уклона дороги (косогора).

При криволинейном движении автомобиля потерю устойчивости на косогоре обычно вызывает центробежная сила Pу (см. рис. 1.3.3.).

Рис. 1.3.3. Движение автомобиля на вираже

Расстояние от точки O (центра поворота) до середины заднего моста при

Величина максимально допустимого (критического) угла косогора, по которому автомобиль может двигаться без опрокидывания, равна:

Скорость, с которой автомобиль может двигаться криволинейно по

Устойчивость автомобиля против опрокидывания возрастает с увеличением колеи B автомобиля и радиуса R , а также при снижении центра тяжести и уменьшении угла косогора.

Из уравнения (1.3.8) видно, что если выбирать соответствующие углы β то скорость движения может быть произвольно велика и, если

tgβ = 2Bhц ,

то опрокидывания не произойдет при любой сколь угодно большой скорости.

44

Максимальный (критический) угол косогора дороги, по которому автомобиль может двигаться без поперечного скольжения:

(1.3.10), можно определить, что наступит раньше, опрокидывание или скольжение автомобиля вбок. Уравнение (1.3.10) позволяет установить, что при увеличении угла β скорость движения автомобиля, допустимая по условию скольжения вбок, также увеличивается, и что при 1 −ϕ tgβ = 0 эта

скорость может быть равна бесконечности. Таким образом, если: tgβ = ϕ1 ,

то скольжения вбок не будет, и скорость движения может быть произвольно велика.

Чтобы увеличить поперечную устойчивость автомобиля при высоких скоростях движения в реальных дорожных условиях, закругления на автомагистралях выполняют с большими радиусами, порядка 300...1000 м, а полотну дороги придают на закруглениях поперечный уклон, направленный к центру закругления; величина уклона берется в пределах β = 8...12°. Силы Py

и G при этом прижимают автомобиль к дороге, что повышает его поперечную устойчивость.

Выше было принято, что автомобиль представляет собой твердое тело. В действительности автомобиль представляет собой сложную систему масс с шарнирными и упругими связями. Под действием поперечных сил кузов автомобиля поворачивается и наклоняется в поперечном направлении, при этом упругие элементы подвески деформируются. При наличии упругой подвески уменьшается критическая скорость VОПР , с которой можно вести

автомобиль без угрозы опрокидывания.

1.3.4. Явление заноса одной из осей

На практике редко наблюдается, что продольные силы отсутствуют и оба моста автомобиля скользят в поперечном направлении одновременно, обычно раньше начинают скользить колеса одного из мостов: заднего или переднего.

Максимальная скорость, с которой автомобиль может двигаться без поперечного скольжения при совместном действии касательных (силы тяги

45

или торможения) и поперечных сил v'ск меньше скорости vск, определенной для случая равномерного движения автомобиля и разгона, примерно на 10– 20%. При интенсивном торможении v'ск ≈ 0 и даже небольшое отклонение автомобиля от прямолинейного движения может привести к заносу.

Соответствующие критические скорости для переднего и заднего мостов обозначаются VCK1 и VCK 2 .

Рис. 1.3.4. Занос переднего и заднего мостов автомобиля.

На рис. 1.3.4, а показан автомобиль, движущийся криволинейно по дуге радиусаR . Если скорость автомобиля V превысит критическое значение VCK 2 ,

то задний мост будет проскальзывать в поперечном направлении с некоторой скоростью Vy2 . В результате сложения скоростей задний мост начнет

перемещаться по направлению вектора v3 и радиус уменьшится доR1 .

Уменьшение радиуса вызовет увеличение центробежной силы, что в свою очередь приведет к дальнейшему уменьшению радиуса. При некотором значении радиуса начнут проскальзывать колеса переднего моста. Однако скорость поперечного скольжения заднего моста все время будет расти быстрее, и автомобиль будет двигаться по дуге непрерывно уменьшающегося радиуса. Такое движение автомобиля называется заносом. Занос чрезвычайно опасен, так как развивается обычно быстро и может привести к выходу автомобиля за пределы полосы движения или опрокидыванию.

Если VCK1 < VCK 2 , то при начинается поперечное скольжение переднего моста со скоростью Vy1 (рис. 1.3.4, б). В этом случае передний мост перемещается по направлению вектора V3 и радиус увеличивается от R до R1 .

Увеличение радиуса приводит к уменьшению центробежной силы, и скорость Vy1 понижается. Следовательно, такой автомобиль не может войти в занос,

хотя может частично утратить управляемость.

Чтобы прервать начавшийся занос, нужно прекратить торможение или подачу топлива, уменьшив тем самым величину удельной касательной реакции ( PTOP PZ или PTOP PZ ). Кроме того, нужно повернуть передние колеса в

сторону скольжения заднего моста. Пусть во время начала заноса передние колеса занимали нейтральное положение, и центр поворота находился в точке

46

O (рис. 1.3.4, в). После поворота колес на угол θ центр поворота сместится в точку O1 и радиус поворота увеличится от R до R1 , а центробежная сила уменьшится.

1.3.5. Курсовая устойчивость

Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться без корректирующих воздействий со стороны водителя, т.е. при неизменном положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью произвольно меняет направление движения (“рыскает” по дороге), создавая угрозу другим транспортным средствам и пешеходам.

Нарушение курсовой устойчивости при прямолинейном движении автомобиля происходит под действием возмущающих сил, поперечной составляющей веса, бокового ветра, ударов колес о неровности дороги, а также различных по величине продольных сил (тяговой, тормозной), приложенных к колесам правой и левой сторон автомобиля. При криволинейном движении автомобиля к этим силам добавляется центробежная сила. Потеря устойчивости автомобилем может быть вызвана также неправильными приемами управления или техническими неисправностями.

Часто предпосылкой потери устойчивости является скорость автомобиля, не соответствующая дорожным условиям. Если автомобиль движется с излишне высокой скоростью, то тяговая сила PТ приближается по величине к силе сцепления PСЦ ведущих колес с дорогой, вследствие чего

возможно их пробуксовывание. Скорость, максимально допустимая при прямолинейном движении автомобиля без пробуксовки ведущих колес, определяется следующим выражением:

Скорость Vбук уменьшается при уменьшении коэффициента сцепления,

росте сопротивления дороги, а также при увеличении ускорения. Поэтому потеря курсовой устойчивости автомобилем наиболее вероятна на участках дороги со скользким неровным покрытием (укатанный снег, обледенелый асфальтобетон, булыжник) и подъемами. Часто водители, видя впереди подъем и не желая терять скорости, увеличивают подачу топлива и преодолевают подъем “с ходу”. Если при этом на пути встретится участок, покрытый снежной или ледяной коркой, то значения сил PT и PСЦ могут стать

примерно одинаковыми, тогда даже небольшая поперечная сила может вызвать боковое скольжение заднего моста.

1.3.6. Испытания автомобилей на устойчивость

Как и в других ходовых испытаниях для точной оценки устойчивости

47

автомобиля необходимо возможно более стабильное и фиксируемое состояние всех элементов системы ВАДС при каждом опыте. Это достигается регламентацией состояния окружающей среды, дорожных условий, действий водителя (путем определенных предписаний воздействия на органы управления), соблюдением заданных скоростей в опытах.

Но как бы строго не регламентировались состояния элементов системы ВАДС, при испытаниях неизбежен случайный их разброс, в особенности, вследствие действий водителя-испытателя. Поэтому нормативы показателей или характеристик автомобиля, определяемые при испытаниях, могут количественно задаваться только интервально, с определенными пределами. Технологические операции или виды основных испытаний приведены в табл. 1.3.1.

Таблица 1.3.1

48

Регламентируются испытания различным образом для разных АТС. Так, при испытаниях “стабилизация” автомобили категории М1 разгоняют до установившейся скорости 50 км ч, автомобили и автопоезда остальных категорий до скорости 40 км/ч в движении по окружности радиусом 50 м. По сигналу руководителя испытаний водитель-испытатель быстро снимает удерживающее руль усилие до полного возврата или остановки обратного поворота рулевого колеса. Эта испытательная операция повторяется не менее трех раз при движении по кругу в двух противоположных направлениях.

Испытания усилий на рулевом колесе проводятся на неподвижном автомобиле и в движении со скоростью 10±2 км/ч с поворотом руля из нейтрального положения (при положении управляемых колес, соответствующем прямолинейному поступательному движению) вправо до упора и затем влево до упора.

Испытания “прямая” дают оценку курсовой устойчивости и выполняются в движении по размеченному коридору длиной 400 м, со скоростью не менее 80 км/ч для автомобилей категорий М1, М2, №1, №2 и 60 км/ч для остальных категорий. Количество опытов (заездов) - не менее 10.

Испытания “переставка” определяются величиной пути Sn (во время которого вращается рулевое колесо) на размеченном участке в средней части трассы испытаний. Для значений Sn равных 12, 16, 20 и 24 м испытания

проводятся с повышением скорости от заезда к заезду для определения зависимостей поворотов руля от скорости поступательного движения в момент пересечения передними колесами границы между участком разгона и Sn . Испытания “переставка” Sn = 20 м выполняются без освобождения педали

подачи топлива в момент начала маневра для сохранения постоянной

49

предельно высокой скорости по началу заноса.

Испытания “поворот” с радиусом 35 м выполняются на специально размеченной трассе с изменяемой от заезда к заезду скоростью в момент пересечения границы между участком разгона и кольцевым участком. Изменение скорости производится от 5 км/ч в первом заезде до предельной по началу сноса или заноса автомобиля через интервал 1,3 км/ч.

Испытания “рывок руля” проводятся с предварительным разгоном на прямолинейном участке АТС категорий М1, М2, №1, №2 до скорости 80 ± 3 км/ч, а категорий М3, №3, L1–5 – до 60 ± 3 км/ч. При въезде с этой скоростью на разворотную площадку производится резкий поворот руля с угловой скоростью не менее 400 град/с. Угол поворота рулевого колеса увеличивают в последовательных заездах до возникновения бокового (центробежного) ускорения не менее 4,5 м/с2 или потери сцепления шин, или начала бокового опрокидывания. Испытания выполняются при рывке руля последовательно в правую и левую стороны. Предельная скорость характеризует как курсовую устойчивость, так и поворачиваемость АТС.

В заключение следует отметить, что, несмотря на значимость устойчивости в оценке активной безопасности АТС, международные нормативные требования недостаточно разработаны и ограничены. Международные и национальные стандарты как на требования к АТС, так и на методы испытаний недостаточно гармонизированы.

1.4. Управляемость автомобиля

1.4.1. Управляемость и ее значение для безопасности дорожного движения

Управляемостью называют способность автомобиля устойчиво сохранять заданное направление движения и вместе с тем быстро изменять его при воздействии водителя на рулевое управление.

Управляемость обеспечивается соответствующими элементами конструкции автомобиля: углами установки управляемых колес, определенным соотношением углов поворота правого и левого колес, правильным соотношением давления в шинах передних и задних колес.

От технического состояния автомобиля в большой мере зависит его управляемость. На нее отрицательно влияют неправильная установка управляемых колес, увеличенные зазоры в рулевом механизме и приводе, перекосы осей и ведущего моста, слишком низкое или высокое давление в шинах. Биение колес на большой скорости может вызвать их виляние, что также ухудшает управляемость.

Подавляющее большинство опасных дорожных ситуаций (до 80– 85%) водитель ликвидирует путем своевременного поворота рулевого колеса и изменения направления движения автомобиля. При этом водитель может, либо, повернув автомобиль, отвести его от опасной зоны под углом к прежнему направлению движения, либо выехать в соседний ряд.

50