Тема 2.8 Управляемость автомобиля

2.8.1 Управляемость и измерители управляемости автомобиля. Критическая скорость по условию управляемости. Увод колеса, поворачиваемость автомобиля. Критическая скорость по углу бокового увода. Схема движения автомобиля с жесткими и эластичными шинами.

Автомобиль должен иметь возможность легко и быстро изменить свое положение на дороге под воздействием водителя.

Управляемость автомобиля оценивают по следующим измерителям и показателям: критическая скорость по условиям управляемости, поворачиваемость, соотношение углов поворота управляемых колес, угловые колебания и стабилизация управляемых колес.

Иногда встречается оценка управляемости по времени реакции автомобиля на управляющее воздействие, т.е. по временному интервалу от начала поворота рулевого колеса до начала поворота продольной оси автомобиля. Поскольку экспериментальное определение такого оценочного критерия требует специальной довольно сложной гироскопической аппаратуры, вместо курсового угла поворота продольной оси ориентируются на временной интервал до достижения установившегося бокового ускорения. Строго говоря, оценка управляемости должна проводиться с учетом эргономических характеристик рабочего места водителя.

Управляемость и устойчивость – это два эксплуатационных свойства автомобиля, требования к которым противоречат друг другу. Идеально устойчивый автомобиль, направление движения которого никакими силами невозможно изменить, будет неуправляемым. Наоборот, легко управляемый автомобиль, направление движения которого изменяется любой возмущающей силой, будет неустойчив.

Конструкторам приходится искать компромиссные решения при создании автомобиля для управления человеком.

Критическая скорость по условиям управляемости.

Рассмотрим движение автомобиля на повороте (рис. 2.8.1). Управляемые колеса автомобиля повернуты на угол 0. К переднему мосту приложена толкающая сила Р, составляющая которой P_х1, направленная параллельно управляемым колесам, при равномерном движении равна силе сопротивления качению P_кi = G₁f.

Поперечная составляющая силы Р

. (2.8.1)

На передний мост действует также центробежная сила передней части автомобиля, направленная вдоль радиуса R₁ поворота середины переднего моста:

где — масса автомобиля, приходящаяся на передний мост, кг; — скорость движения середины переднего моста, м/с.

Но , и поэтому

.

Силы P_y1 и Р_ц1 стремятся вызвать боковое скольжение управляемых колес. Чтобы колеса катились без скольжения, необходимо соблюдение условия

. (2.8.2)

Центробежная сила Р_ц1 пропорциональна квадрату скорости, поэтому скольжение колес наиболее вероятно при большой скорости автомобиля.

Критической скоростью пo условиям управляемости называют скорость, с которой автомобиль может двигаться на повороте без поперечного скольжения управляемых колес. Определим ее из выражений (2.8.1) и (2.8.2):

. (2.8.3)

Если скорость автомобиля больше скорости , то управляемые колеса при повороте проскальзывают в поперечном направлении и поворот колес не изменит направления их движения. Чем меньше радиус поворота автомобиля, тем меньше должна быть его скорость.

На дорогах с твердым покрытием коэффициент обычно во много раз больше коэффициента , поэтому автомобиль сохраняет управляемость При движении по дороге с неровным обледенелым покрытием, а также по песку или снегу значения коэффициентов и сближаются, что приводит к снижению критической скорости.

Если ~ /cos , то подкоренное выражение в формуле (2.8.3) равно нулю, и автомобиль может поворачивать лишь с весьма малой скоростью. Если /cos , то скорость является мнимой, и автомобиль становится неуправляемым.

При полном скольжении передних колес, например в результате торможения, поперечная реакция дороги возникнуть не может, и автомобиль теряет управляемость.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Увод колеса.

Качение эластичного колеса, нагруженного поперечной силой, имеет особенности, поскольку колесо может катиться без скольжения под некоторым углом к своей средней плоскости. Такое качение называют уводом колеса, а угол, который вектор скорости центра колеса образует с его плоскостью, – углом увода .

В случае приложения к колесу поперечной силы Р_у (рисунок 2.8.2, а) шина изгибается, и средняя плоскость колеса смещается относительно центра контакта на расстояние . При качении колеса точка В шины входит в соприкосновение с дорогой в точке В₂, а точка С — в точке С₂ и т. д. В результате колесо катится по направлению AD₂. При этом средняя плоскость колеса оказывается расположенной под углом к направлению движения. Средняя линия контакта, приблизительно совпадающая с направлением движения, также расположена под углом к средней плоскости колеса. Таким образом, колесо катится с уводом, угол которого равен .

Поворот зоны контакта относительно диска колеса на угол вызывает закручивание шины. Вследствие этого со стороны шины на диск колеса действует момент Мув, стремящийся повернуть колесо в сторону, противоположную направлению увода. Момент при небольших углах увода пропорционален :

,

где – угловая жесткость шины, Нм/рад.

Во время увода колеса в передней части контакта элементы шины, менее деформированные в поперечном направлении (участок kk на рис. 2.8.2, б), чем в задней (участок nn). Поэтому при малых силах Р_у элементарные поперечные реакции в передней части контакта меньше, чем в задней, и эпюра элементарных поперечных реакций имеет форму, близкую к треугольной (рис. 2.8.2, в).

а – боковая деформация шины при нагружении ее силой, перпендикулярной плоскости качения колеса, б – смещение зоны контакта шины с опорной поверхностью, в – форма эпюры поперечных реакций в зоне контакта шины с опорной поверхностью

Рисунок 2.8.2 – Увод колеса при боковой деформации шины

Равнодействующая R_y, равная по силе Р_у, смещена относительно центра контакта на расстояние с_ш; смещена также на расстояние b_ш и касательная реакция R_x. В результате увода проекция центра колеса на плоскость дороги (точка О₁) не совпадает с центром контакта О, а силы R_x и R_y создают моменты, стремящиеся повернуть колесо вокруг шкворня.

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

При малых значениях силы Р_у эпюра поперечных сил близка к треугольной, и колесо изменяет направление движения главным образом вследствие упругих деформаций шины (рис. 2.8.3, а). Рост силы Р_у вызывает вначале лишь увеличение площади эпюры (рис. 2.8.3, 6) без изменения ее формы. При дальнейшем увеличении силы Р_у элементарные поперечные силы, достигнув предельного по условиям сцепления значения, остаются постоянными, и эпюра приобретает форму трапеции (рис. 2.8.3, в). Когда сила Р_у достигает значения силы сцепления Р_сц, все пятно контакта смещается в поперечном направлении (рис. 2.8.3, г), после чего реакция R_y остается равной а увод колеса сопровождается одновременным проскальзыванием шины относительно дороги.

Площадь эпюры AВС (см. рис. 2.8.3, а) в масштабе представляет собой поперечную реакцию R_y дороги. При малых значениях поперечной силы

где – коэффициент пропорциональности; – длина контакта шины с дорогой.

а – при малых значениях силы Р_у, б – при увеличении силы Р_у; в – при достижении предельных по сцеплению боковых сил; г – при полном боковом скольжении шины

Рисунок 2.8.3 - Эпюры элементарных поперечных реакций при различных значениях силы Р_у

Поскольку величины и постоянны, то постоянно и выражение . Вследствие этого зависимость между R_y и углом , можно выразить как

где – коэффициент сопротивления уводу, Н/рад, показывающий, какую поперечную силу можно приложить к колесу, чтобы оно катилось с углом увода, равным 1 рад.

Для малых углов увода (4...6°) коэффициент приближенно можно считать постоянным. Для шин легковых автомобилей кН/рад, а для шин грузовых автомобилей и автобусов кН/рад.

На рис. 2.8.4, а показан график зависимости поперечной реакции дороги R_y от угла увода , в нижней части которого изображены контактные отпечатки шины (зоны скольжения заштрихованы).

а – общая закономерность; б – от вертикальных нагрузок (7 – 6 кН; 2 – 2 кН) и давления воздуха в шине

Рисунок 2.8.4 – Зависимость между поперечной реакцией дороги R_y и углом увода

На участке АБ ( < 4...6°) скольжение практически отсутствует, и зависимость можно считать линейной. В точке С ( = 12... 15°) все пятно контакта скользит по дороге, поперечная реакция остается постоянной, и зависимость характеризуется горизонтальной линией CD. На участке ВС эта зависимость нелинейна вследствие частичного проскальзывания пятна контакта.

Чем меньше коэффициент тем меньше поперечная сила, вызывающая скольжение колеса. Так, для кривой AВС значение коэффициента приблизительно в 2 раза больше, чем для кривой АB'С'.

На рис. 2.8.4, б приведены экспериментальные зависимости угла увода от поперечной силы для шины размера 6,40–13 при двух значениях воспринимаемой ею вертикальной нагрузки: (6 кН – кривые 7 и 2 кН – кривые 2) и при различном давлении воздуха в шине (сплошные кривые – давление воздуха 0,17 МПа, штриховые – 0,12 МПа).

Как видно, зависимость в действительности имеет более сложную форму, чем кривые, показанные на рис. 2.8.4, а. В частности, прямолинейные участки в начале кривой у них отсутствуют, поэтому считать коэффициент К_ув постоянным можно лишь с известным приближением. Увеличение вертикальной нагрузки и давления воздуха в шине сопровождается повышением коэффициента сопротивления уводу шины и поперечной силы, вызывающей полное скольжение.

При уводе шина деформируется не только в радиальном направлении, но и в поперечном, вследствие чего внутреннее трение в ней возрастает. Кроме того, при больших углах увода частиц протектора интенсивно проскальзывают по дороге. В результате сила, необходимая для качения колеса, резко увеличивается: при качении колеса с уводом она может быть в несколько раз больше силы, которую нужно приложить к нему при качении без увода.

Продольная и поперечная скорости колеса, катящегося со скольжением, связаны между собой соотношением

Мощность, необходимая для качения колеса с уводом,

Выражение в скобках представляет собой продольную силу, которую необходимо приложить к оси колеса, чтобы преодолеть сопротивление его качению с уводом:

,

где ~ коэффициент сопротивления качению при уводе.

Вместе с тем

Увеличение сопротивления качению особенно заметно при больших углах увода. Так, при = 5... 6° сопротивление качению может быть в 2... 4 раза больше, чем при качении колеса без увода.

Дата добавления: 2015-08-27