Управляемость автомобиля. Параметры маневра (стр. 2 из 4)
При установке колеса с развалом возникает осевая сила, прижимающая ступицу с колесом к внутреннему подшипнику, раз мер которого обычно больше, чем размер наружного подшипника. Вследствие этого разгружается наружный подшипник ступицы колеса. Угол развала обеспечивается конструкцией управляемого моста путем наклона поворотной цапфы и составляет 0...2".
Рисунок 2.1. Схемы установки управляемых колес:
а — развал; б — схождение; О — точка пересечения продолжения оси колеса с плоскостью дороги; А, Б — расстояния между задними и передними частями колес
При наличии развала управляемое колесо стремится катиться в сторону от автомобиля по дуге вокруг точки О (рисунок 2.1, а) пересечения продолжения его оси с плоскостью дороги. Так как управляемые колеса связаны между собой, то их качение по расходящимся дугам сопровождалось бы боковым скольжением. Для предотвращения такого скольжения управляемые колеса устанавливают со схождением, т.е. не параллельно, а под некоторым углом к продольной оси автомобиля.
Угол схождения управляемых колес δС (рисунок 2.1, б) определяется разностью расстояний А и Б между колесами, которые измеряют сзади и спереди по краям ободьев на высоте оси колес. Угол схождения колес у автомобилей находится в пределах 0°20'... 1°, а разность расстояний А и Б между колесами сзади и спереди составляет 2... 12 мм.
Установка управляемых колес с одновременным развалом и схождением обеспечивает их прямолинейное качение по дороге без бокового скольжения. При этом должно быть правильно подобрано соотношение между углами развала и схождения. Каждому углу развала соответствует определенный угол схождения, при котором сопротивление движению, расход топлива и износ шин будут минимальными. Обычно оптимальный угол схождения управляемых колес составляет в среднем 15...20% угла их развала. Однако в процессе эксплуатации управляемые колеса часто устанавливают со схождением несколько большим, чем требуется для компенсации их развала. Это вызвано тем, что у колес вследствие наличия зазоров и упругости рулевого привода может появиться отрицательное схождение. В результате даже при их положительном развале возрастают сопротивление движению, расход топлива и износ шин[3].
2.2 Стабилизация управляемых колес
При движении силы, действующие на автомобиль, стремятся отклонить управляемые колеса от положения, соответствующего прямолинейному движению. Чтобы не допустить поворота управляемых колес под действием возмущающих сил (толчки от неровностей дороги, порывы ветра и др.), управляемые колеса должны обладать стабилизацией.
Стабилизацией управляемых колес называется их свойство сохранять положение, отвечающее прямолинейному движению, и автоматически возвращаться в это положение.
Чем выше стабилизация управляемых колес, тем легче управлять автомобилем, выше безопасность движения, меньше износ шин и рулевого управления.
На автомобилях стабилизация управляемых колес обеспечивается наклоном шкворня или оси поворота колес в поперечной и продольной плоскостях и упругими свойствами пневматической шины, которые создают соответственно весовой, скоростной и упругий стабилизирующие моменты.
Весовой стабилизирующий момент возникает вследствие поперечного наклона шкворня или оси поворота управляемого колеса (при бесшкворневой подвеске). Поперечный наклон оси поворота (рисунок 2.2), характеризуемый углом βш, при повороте колеса вызывает подъем передней части автомобиля на некоторую высоту h’. При этом масса передней части стремится возвратить колесо в положение прямолинейного движения. Создаваемый в данном случае стабилизирующий момент и является весовым.
Хотя весовой стабилизирующий момент меньше, чем стабилизирующий момент шины, он не зависит ни от скорости движения, ни от сцепления колеса с дорогой. У автомобилей угол поперечного наклона шкворня (оси поворота) управляемого колеса βш = 5... 10°. При увеличении угла βш повышается стабилизация управляемых колес, но затрудняется работа водителя[2].
Весовой стабилизирующий момент приближенно можно рассчитать по следующей формуле:
(9)где Gк — нагрузка на колесо; lц — длина поворотной цапфы; θ — угол поворота колеса.
Рисунок 2.2 Поперечный наклон оси поворота управляемого колеса
Скоростной стабилизирующий момент создается в результате продольного наклона шкворня. Продольный наклон оси поворота (рисунок 2.3), определяемый углом γш, создает плечо а действия реакций дороги, возникающих при повороте колеса между шиной и дорогой в месте их касания. Эти реакции помогают возврату колеса в положение, соответствующее прямолинейному движению. Создаваемый в этом случае стабилизирующий момент и является скоростным.
Обычно боковые реакции дороги на колесах возникают вследствие действия на автомобиль центробежной силы, которая пропорциональна квадрату скорости движения на повороте. Поэтому скоростной стабилизирующий момент изменяется пропорционально квадрату скорости движения.
Рисунок 2.3 Продольный наклон оси поворота управляемого колеса
У автомобилей угол продольного наклона оси поворота управляемых колес уш = 0...3,5°. При увеличении угла уш повышается стабилизация управляемых колес, но усложняется работа водителя.
Скоростной стабилизирующий момент
(10)где а — плечо действия реакции дороги Ry, rк — радиус колеса; γш — угол продольного наклона шкворня.
Упругий стабилизирующий момент шины создается при повороте управляемого колеса вследствие смещения результирующей боковых сил, действующих в месте контакта шины с дорогой, относительно центра контактной площадки (рисунок 2.4).
Упругий стабилизирующий момент, создаваемый шиной:
(11)где Рб — результирующая боковых сил; b — плечо действия силы Рб.
Рисунок 2.4 Схема возникновения упругого стабилизирующего момента шины
Стабилизирующий момент шины достигает значительной величины у легковых автомобилей, которые имеют высокоэластичные шины и движутся с большой скоростью. Он может составлять 200...250Н·м при углах увода колес 4...5°. Поэтому при очень эластичных шинах угол продольного наклона шкворня делают равным нулю, чтобы не усложнять управление автомобилем. Однако при небольшой скорости движения стабилизирующий момент шины не обеспечивает надежной стабилизации управляемых колес. Кроме того, упругий стабилизирующий момент шины резко уменьшается на дорогах с небольшим коэффициентом сцепления (скользких, обледенелых).
Стабилизация управляемых колес неразрывно связана с установкой управляемых колес автомобиля[1].
2.3 Колебания управляемых колес
В процессе движения управляемые колеса автомобиля могут совершать колебания вокруг шкворней (осей поворота) в горизонтальной плоскости. Такие колебания вызывают износ шин и рулевого привода, повышают сопротивление движению и увеличивают расход топлива. Они могут привести к потере управляемости автомобиля и снижению безопасности движения. Причинами, вызывающими эти колебания, являются гироскопическая связь управляемых колес, их неуравновешенность (дисбаланс) и двойная связь колес с несущей системой (рама, кузов) через рулевой привод и подвеску.
Рисунок 2.5 Схема возникновения самовозбуждающихся колебаний (автоколебаний) управляемых колес при зависимой подвеске
При наездах одного из колес на дорожные неровности при зависимой их подвеске (рисунок 2.5) происходит перекос переднего моста. Управляемые колеса наклоняются, и изменяется положение их оси вращения. Это приводит к возникновению гироскопического момента мrx, который действует в горизонтальной плоскости и поворачивает управляемые колеса вокруг шкворней[3].
Поворот колес вокруг шкворней вызывает возникновение другого гироскопического момента мrz, который действует в вертикальной плоскости и стремится увеличить перекос моста и наклон колес.
Таким образом, перекос моста обусловливает колебания управляемых колес вокруг шкворней, а они, в свою очередь, увеличивают перекос моста, т.е. обе колебательные системы связаны между собой и влияют друг на друга.
Возникающие в этом случае колебания управляемых колес вокруг шкворней непрерывно повторяются (самовозбуждаются), являются устойчивыми и наиболее опасными.
При вращении неуравновешенного колеса (рисунок 2.6) возникает центробежная сила рц. Ее вертикальная составляющая Рz стремится переместить колесо в вертикальном направлении и наклонить его, что вызывает появление гироскопического момента мх. Горизонтальная составляющая рх центробежной силы стремится повернуть колесо вокруг шкворня. Колебания управляемых колес становятся особенно значительными, когда не уравновешены оба колеса и неуравновешенные части располагаются с разных сторон осей вращения, так как в этом случае поворачивающие моменты мх складываются. Колебания также возрастают при увеличении скорости движения автомобиля в связи с тем, что значения составляющих рz и рх центробежной силы рц во многом зависят от скорости[1].