Поворачиваемость автомобиля

Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять на­правление движения без поворота управляемых колес. Есть две ос­новных причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый попе­речной эластичностью шин, и поперечный крен кузова, связанный с эластичностью подвески. Соответственно различают шинную и креновую поворачиваемость автомобиля.

Уводом называют качение колеса под углом к своей плоскости. При действии на колесо с эластичной шиной поперечной силы Р_и вектор скорости центра колеса отклоняется от плоскости вращения на некоторый угол d— угол увода. Сила Р_у и угол увода d свя­заны следующей зависимостью:

(74)

где k_ув — коэффициент сопротивления уводу (первая производная от поперечной силы по углу увода), Н/рад.

Величина k_ув зависит от многих факторов, из которых наиболь шее значение имеют величина угла увода, вертикальная и касательная силы, приложенные к колосу, и наклон колеса к вертикали. Считая, что эти факторы действуют независимо один от другого, их влияние на k_ув учитывают экспериментальными поправочными коэф­фициентами. С учетом этих коэффициентов формула (74) принимает следующий вид:

где q₁ и q₂ — коэффициенты, учитывающие изменение вертикальной и касательной сил, действующих на колесо; q₃— коэффициент, учи­тывающий изменение угла наклона колеса, q₄ — коэффициент, учи-

Рис.28. Схема движения автомобиля с эластичными шинами

Рис. 29. Зависимость угла увода d от поперечной силы Р_у для автомобилей с различными шинами

тывающий влияние угла d и характера опорной поверхности; k_{ув шах} — максимальный коэффициент сопротивления уводу при изменении вертикальной нагрузки и малых величинах d.

Экспериментальные зависимости утла d от P_у для некоторых шин показаны на рис. 29. Эти зависимости имеют сложный характер, однако при малых углах увода их можно приближенно считать ли­нейными, а коэффициент k_ув постоянным.

При наличии увода центр поворота автомобиля находится не в точке О, как у автомобиля с жесткими шинами (рис. 28), а в точ­ке О_ь т. е. в месте пересечения перпендикуляров к векторам ско­ростей V_l и V₂.

В соответствии с рис. 28 можно написать

Где d₁ и d₂ — углы увода переднего и заднего мостов. Так как углы q, d₁ и d₂ обычно невелики, то радиус

(75).

Для автомобиля с жесткими шинами d₁ = d₂= 0 и для радиуса получаем формулу (58).

Таким образом, траектория движения автомобиля с жесткими ши­нами зависит только от угла q. У автомобиля с эластичными шинами на нее влияют углы увода, которые в свою очередь зависят от q, V и других факторов. При наличии увода автомобиль может двигаться криволинейно, даже при q = 0. Кривизна траектории зависит от соотношения углов d₁ и d₂. Если d₁ = d₂, то шинную поворачиваемость автомобиля называют нейтральной. Хотя при этом согласно формуле (75) R₃ — R, но траектория движения автомобиля с жест-

Рис. 30. Схемы движения автомобиля с различной шинной поворачиваемостью: а – с недостаточной, б – с излишней

кими шинами не совпадает с траекторией движения автомобиля, имеющего нейтральную поворачиваемость, так как центры поворота в этих случаях занимают различные положения.

В случае действия поперечной силы на автомобиль, имеющий же­сткие шины, он сохраняет прежнее направление движения, пока эта сила по величине не станет равной силе сцепления. Автомобиль, имеющий нейтральную шинную поворачиваемость, под действием поперечной силы движется под углом d_ув к прежнему направлению движения.

Если d₁> d₂, то R_э > R, и для движения автомобиля с эластич­ными шинами по кривой радиусом R_э управляемые колеса нужно по­вернуть на больший угол, чем при жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля называют недостаточной. Под действием поперечной силы Р_у (рио. 30, а) при прямолинейном движении передняя ось автомобиля с недостаточной поворачиваемостью в результате увода движется под углом d_х к прежнему направ­лению движения, а задний мост — под углом d₂. Автомобиль пово­рачивается вокруг центра О_ъ вследствие чего возникает центробеж­ная сила Р„, поперечная составляющая Р_цу которой направлена в сторону, противоположную силе Р_и, что уменьшает результирую­щую поперечную силу и увод колес. Следовательно, автомобиль с недостаточной шинной поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное направление движения.

Если угол d₁<d₂, то R_э<R, и для движения автомобиля с эластич­ными шинами по кривой радиусом R управляемые колеса нужно по­вернуть на меньший угол, чем при жестких шипах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля называют излишней. Если на автомобиль с излишней поворачиваемостью действует центро­бежная сила Р_ц, то он тоже движется криволинейно (рис. 30, б). Однако составляющая Р_Цу в этом случае направлена в ту же сторо­ну, что и сила P_v. В результате увод возрастает, что увеличивает кривизну траектории и силу Р _Цуи т. д. Если водитель не повернет управляемые колеса в нужном направлении, тс центробежная сила Р_ц может возрасти настолько, что автомобиль потеряет устойчивость. Таким образом, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью бо­лее устойчив и лучше сохраняет направление движения, чем авто­мобиль с излишней поворачиваемостью.

Таблица 15. Коэффициенты шинной поворачиваемости h_пов

Автомобиль	Без нагрузки	С полной нагрузкой	Автомобиль	Без нагрузки	С полной нагрузкой
ЗАЗ-968А «Запорожец»	1,36	1,15	УАЗ-451Дм	0,78	1,38
ВАЗ-2103 «Жигули»	0,84	1,10	ГАЗ-53А	0,61	1,26
Москвич-2140	0,87	1,17	ЗИЛ-130	0,51	1,35
ГАЗ-24 «Волга»	0,89	1,10	МАЗ-500	0,43	1,04
ГАЗ-13 «Чайка»	0,85	1,08
ЗИЛ-117	0,96	1,10

Для количественной оценки шинной поворачиваемость автомо­биля служит коэффициент поворачиваемости

где k_ув1 и k_{ув 2} — коэффициенты сопротивления уводу переднего и заднего мостов автомобиля.

При излишней шинной поворачиваемости автомобиля h_нов > 1, при нейтральной h_пов = 1, а при недостаточной h_вов < 1. Значе­ния h_пов для некоторых отечественных автомобилей приведены в табл. 15, свидетельствующей о том, что большинство автомобилей имеют недостаточную шинную поворачиваемость в ненагруженном состоянии. При полной нагрузке, напротив, автомобили имеют из­лишнюю поворачиваемость. Показатель h_пов является приближен­ным, так как в процессе движения автомобиля коэффициент &_ув меняется в широких пределах.

Креповая поворачиваемость автомобиля связана с конструкцией его подвески.

На рис. 31 показан задний мост с рессорной подвеской автомоби­ля, который совершает правый поворот. Передние концы рессор соединены с кузовом простым шар­ниром, а задние — с помощью серьги.

Рис. 31. Поворот заднего моста при крене кузова

При прогибах рессоры задний мост перемещается по дуге mm, причем ось его качания расположена около шарнира. Под действием поперечной силы Р_кц 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, как показано штри­ховой линией.

Если углы поворота переднего и заднего мостов не одинаковы по величине или направлению, то автомобиль вследствие крена пово­рачивается, хотя передние колеса остаются в нейтральном положе­нии. Так, при действии одной и той же возмущающей силы Р_у ав­томобиль А повернется вправо, а автомобиль Б — влево. Возникающая при повороте центробежная сила Р₀ у автомобиля А направлена в противоположную сторону по сравнению с возмущаю­щей силой Р_у, а у автомобиля Б в ту же сторону. Поэтому автомо­биль А лучше сохраняет направление движения под действием по поперечных возмущающих сил. По аналогии с шинной поворачиваемостью можно сказать, что автомобиль А имеет недостаточную, а ав­томобиль Б излишнюю креновую поворачиваемость.

Рис.32. Схемы движения автомобилей с зависимой рессорной подвеской, имеющих различную креновую поворачиваемость

У автомобиля с излишней креповой поворачиваемостыо, на кото­рый действует поперечная сила, кривизна траектории непрерывно увеличивается. Это приводит к росту центробежной силы и дальней­шему уменьшению радиуса поворота. Однако максимальное значение угла поперечного крена обычно ограничено упорами, предусмотрен­ными в конструкции подвески. Поэтому креновая поворачиваемость не может увеличиваться беспредельно.

Креновая поворачиваемость автомобиля тесно связана с шинной поворачиваемостыо, так как увод колеса возникает не только под действием сил и моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (раз­вале). Если направление поперечной силы совпадаете направлением

Рис. 32. Схемы движения автомобилей с независимой рычажной подвеской, имеющих различную креновую поворачиваемость

развала колеса, то увод возрастает. Развал колеса, равный 1°, вы­зывает увод на угол 10—20'. У автомобилей с независимой подвес­кой колес на поперечных рычагах крен кузова вызывает изменение развала колеса. При двух рычажной подвеске (рис. 33, а) колеса на­клоняются в сторону крена кузова в направлении действия попереч­ной силы P_v, что увеличивает угол увода моста. При одно-рычажной подвеске (рис. 33, б) колеса наклоняются в сторону, противополож­ную крену кузова, навстречу поперечной силе. В этом случае угол увода моста уменьшается. Таким образом, в зависимости от конструк­ции подвески, креновая поворачиваемость может либо усиливать, либо ослаблять влияние шинной поворачиваемости.

Для обеспечения недостаточной поворачиваемости автомобиля необходимо, чтобы угол увода переднего моста был больше угла увода заднего моста. Поэтому у легковых автомобилей наиболее рас­пространена передняя независимая подвеска на двух рычагах. Зад­нюю подвеску выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге. Никогда не применяют одно-рычажную подвес­ку для переднего моста и двух рычажную для заднего, так как это приводит к резкому ухудшению управляемости автомобиля.

Вследствие большого числа факторов, влияющих на управляе­мость, фактическая траектория автомобиля может существенно от­личаться от расчетной. Так, например, при смене полосы движения расстояние х_м, необходимое для смещения автомобиля в поперечном направлении на величину y_м, больше, чем определенное по формуле,

приведенной в табл. 14. Расхождение расчетных и эксперименталь­ных значений зависит от скорости автомобиля, сцепления шин с до­рогой и других причин. Поскольку расчет траектории с учетом всех факторов трудоемок, то в практике поперечное смещение автомобиля определяют, считая шины жесткими, а расстояние х_м уточняют, применяя поправочный коэффициент k_M. Этот коэффициент показы­вает, во сколько раз фактический путь маневра x_ф больше расчет­ного:

Коэффициент маневра определяют по эмпирическим формулам:
для сухого асфальтобетона k_м = 1,12 +0,00 5 v
для мокрого» k_M= 1,05 + 0,005 и

для гололеда k_M= 1,0 + 0,0035 v

Выше была получена формула (69), определяющая максималь­ную скорость у_ск, автомобиля без поперечного скольжения передних колес. Эту скорость называют критической по условиям управляе­мости. Если действительная скорость автомобиля превысит крити­ческую, то, как установлено выше, заноса не произойдет, однако автомобиль частично утратит управляемость. При постоянной ско­рости водитель поворотом рулевого колеса не сможет уменьшить радиуса кривой. При увеличении скорости автомобиля и неизмен­ном положении передних колес радиус кривой автоматически воз­растает вследствие поперечного проскальзывания шин по дороге. Критическая скорость автомобиля по управляемости уменьшается при снижении коэффициента сцепления. Поэтому потеря управляе­мости наиболее вероятна в случае движения автомобиля по мокрым и скользким покрытиям.

Автомобиль может также утратить управляемость вследствие увода шин. Чтобы объяснить это положение, определим из формулы (75) угол поворота управляемых колес (в рад):

(76)

Углы увода 6₃ и 6₃ пропорциональны поперечным силам Р_y1 и Р_y2, которые в свою очередь пропорциональны квадрату ско­рости:

(77)

(78)

где k_yв1 и k_УВ2 — коэффициенты сопротивления уводу соответст­венно переднего и заднего мостов, Н/рад; М₁ и М₂ — массы, отнесенные соответственно к переднему и заднему мостам, кг.

При повышении скорости автомобиля углы увода также возрас­тают. При этом у автомобиля с излишней шинной поворачиваемостью угол d₂ увеличивается быстрее угла d_1. Вследствие этого пра­вая часть выражения (77) уменьшается и при некоторой так называ­емой критической скорости V_ув оказывается равной нулю. При этой скорости автомобиль начинает двигаться криволинейно, хотя его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. Ьслн скорость автомобиля больше v_ув, то разность (d₂—d₁) > L/R₃, и угол q становится отрицательным. Это означает, что для поворота авто­мобиля вправо передние колеса нужно повернуть влево. Следова­тельно, автомобиль с излишней шинной поворачиваемостью теряет управляемость, если его скорость больше критической v_ув.

Для определения критической скорости, приняв угол 0 = 0, подставим в формулу (76) разность углов d₂ и d₁ полученную из вы­ражений (77) и (78), тогда

Следовательно, критическая скорость по условиям увода

У автомобиля с недостаточной или нейтральной шинной повора­чиваемостью критическая скорость отсутствует, так как при d₁ = d₂ подкоренное выражение отрицательно и скорость v_ук является мни­мой величиной, а при d ₁ = d₂ она равна бесконечности.

Чтобы обеспечить недостаточную шинную поворачиваемость ав­томобиля, несколько уменьшают давление воздуха в шинах перед­них колес по сравнению с давлением в шипах задних колес и тем самым снижают коэффициент h_пов. Кроме того, центр тяжести авто­мобиля немного смещают в сторону переднего моста, что увеличивает часть центробежной силы, действующую на управляемые колеса.

9. ПЛАВНОСТЬ ХОДА АВТОМОБИЛЯ

1. ЗНАЧЕНИЕ ПЛАВНОСТИ ХОДА АВТОМОБИЛЯ ДЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ

Плавностью хода называют свойство автомобиля двигаться по неровным дорогам без больших колебаний подрессоренных масс (кузова). Основным источником колебаний являются неровности до­рожного покрытия. Динамические нагрузки, сопровождающие ко­лебания, приводят к поломкам деталей автомобиля и ускоренному изнашиванию трущихся поверхностей. При колебаниях повышается сопротивление движению, вследствие увеличения потерь энергии на трение в элементах ходовой части автомобиля возрастает рас­ход топлива. На неровных дорогах водитель вынужден снижать скорость, вследствие чего падает производительность подвижного

состава.

Ухудшение безопасности движения при больших колебаниях автомобиля связано с повышенным утомлением водителя и возмож­ностью отрыва колес от дороги.

Колебания характеризуются амплитудой, частотой, скоростью, ускорением. Наибольшее применение для оценки плавности хода получили частота собственных колебаний и ускорение, которые уда­лось непосредственно связать с ощущениями человека. Организм человека привык к вертикальным перемещениям при спокойной ходьбе и хорошо приспособлен к частотам 1,7—2,5 Гц. Длительные вынужденные колебания с частотой до 3—5 Гц и значительной ам­плитудой могут вызвать морскую болезнь вследствие периодическо­го смещения крови в сосудах. При частоте 5—11 Гц наблюдаются расстройства, вызванные возбуждением вестибулярного аппарата, а также резонансными колебаниями отдельных органов (желудка, кишечника, печени) и тела в целом. Колебания с частотой 11—45 Гц вызывают тошноту, рвоту. Ухудшается зрение в связи с колеба­нием глазных яблок. Сильные колебания с частотой свыше 45 Гц мо­гут привести к серьезному заболеванию — вибрационной болезни. Вибрационная чувствительность человека находится в пределах 15—1500 Гц. При колебаниях с низкой частотой (15—18 Гц) орга­низм различает отдельные циклы. Колебания с более высокой часто­той (вибрации) воспринимаются слитно.

Ускорения вызывают кратковременные увеличения нагрузок и раздражения вестибулярного аппарата, работа которого связана с многими функциями организма. Пороговые значения линейных ус­корений, воспринимаемые вестибулярным аппаратом, невелики (около 0,1 м/с²) и в несколько раз меньше фактических, испытывае­мых людьми при движении автомобиля.

Восприятие колебаний сопровождается напряжением мышц тор­са. У сидящего человека колебания передаются на позвоночник, вызывая его деформацию. Для водителей, имеющих большой стаж работы на автомобиле, характерны пояснично-седалищные боли (ишиас). Так, у водителей грузовых автомобилей, работавших в средних дорожных условиях, ишиас наблюдался в 3 раза чаще, а у работавших в плохих дорожных условиях, в 5 раз чаще, чем у во­дителей легковых автомобилей. Колебания вредно отзываются и на внутренних органах человека, не имеющих твердой опоры и подвер­женных перемещениям при толчках.

Для психофизиологической деятельности водителя, управляюще­го автомобилем, характерны повышенные требования к оператив­ному мышлению, постоянная готовность к экстренным действиям, высокая персональная ответственность. Длительные колебания даже небольшой интенсивности приводят к снижению работоспособности — утомлению. Под влиянием утомления уменьшается, прежде всего, готовность водителя к экстренному немедленному действию — бдительность. Утомленный водитель, наблюдая дорожную ситуацию, представляет ее себе упрощенно, упускает существенные детали. Прогнозирует развитие дорожной ситуации водитель также упрощен­но, уменьшая число ожидаемых событий. Если на дороге сложит­ся ситуация, не предусмотренная водителем, возможно происшест­вие. При утомлении ухудшается и моторная деятельность водите ля, его движения становятся медленными, вялыми, возрастает число ошибочных пропущенных действий. Согласно международ­ному стандарту, регламентирующему оценку воздействия вибрации самоходных машин, средств транспорта и оборудования на человека, установлены предельные значения среднего квадратического ускорений. Эти значения нормированы в зависимости от направ­ления и продолжительности действия ускорений для трех ступеней: предела воздействия, порога снижения производительности труда, порога снижения комфорта.

Рис. 34. Зависимость ускорений от частоты и продолжительности воздействия: а – вертикальные ускорения, б – горизонтальные ускорения

На рис. 34 показаны кривые ускорений, соответствующие поро­гу снижения производительности труда при различной частоте и продолжительности воздействия (от 1 мин до 8 ч). Для определения предела воздействия указанные значения увеличивают вдвое, а для определения нижней границы комфорта уменьшают в 3,15 раза. На­иболее чувствительны для человека частоты в диапазоне 4—8 Гц, при которых ощущения соответствуют ускорениям. Такие же ощу­щения для других частот соответствуют большим ускорениям при меньшей продолжительности колебаний.

Для защиты водителя и пассажиров от вредных воздействий коле­баний улучшают характеристику сидений. Сиденье делают отдель­ным от спинки. Подушки сидений обычно имеют жесткость 80—120 Н/см у легковых автомобилей и 150—200 Н/см у грузовых автомоби­лей и автобусов. В целях поглощения вибраций, шума и уменьше­ния давления тела человека на подушку в верхней ее части устраи­вают матрац из ваты, губчатой резины, поролона. Для гашения ко­лебаний человека на подушке в сплошном (фанерном) днище си­денья делают небольшие отверстия. Воздух, проходя через отверстия при перемещениях человека, создает дополнительное сопротив­ление, что позволяет быстрее гасить колебания.

Частота собственных колебаний пассажира на сиденье находит­ся в пределах 2,0—3,0 Гц, а при особенно комфортабельных сидень­ях снижается до 1,0—1,5 Гц. При мягкой подвеске автомобиля сиденья делают сравнительно жесткими. У автомобилей с жесткой подвеской, напротив, применяют мягкие сиденья.

2. ОТРЫВ КОЛЕС ОТ ДОРОГИ

Воздействие дороги на автомобиль зависит от формы неровнос­тей, их размеров и чередования. В зависимости от длины различают импульсные неровности (длиной до 0,3 м), выбоины (длиной 0,3— 6,0 м), ухабы (длиной 6—25м) и уклоны (длиной более 25 м) В зависимости от высоты не­ровности делят на шерохова­тости (высота до 1 см), впади­ны и выступы (высота до 30см) и препятствия-выбоины (глубже 30 см), канавы, рвы, пороги.

Рис. 35. Наезд колеса на неровность: а – при небольшой скорости; б- при большой скорости.