Лекция 9.1. Способы и кинематика поворота колёсных машин

9.1.1. Основные способы поворота колёсных машин. Кинематика поворота. Центр поворота. Радиус поворота

Использование принципов системного подхода позволяет рассматривать поворот трактора и автомобиля как систему машина – водитель – опорная поверхность (почва). Одним из главных свойств машины как звена в системе является управляемость.

Под управляемостью машины понимают её способность точно сохранять заданное направление движения (заданный курс), а при соответствующем воздействии изменять его по требуемой траектории. Первое свойство называют курсовой устойчивостью, а второе – поворачиваемостью машины.

Поворот колёсных тракторов осуществляется следующими способами:

- изменением направления движения управляемых колёс (тракторы и автомобили с колёсными формулами 4К2 и 4К4);

- созданием разности крутящих моментов на ведущих колёсах (для тракторов колёсной формулы 4К4, когда колёса могут быть повёрнуты на ограниченный угол):

- комбинированием обоих указанных способов, когда в дополнение к изменению направления движения управляемых колёс предусматривается возможность создания разных крутящих моментов на ведущих колёсах. Наиболее часто это достигается путём притормаживания той или иной, в зависимости от направления поворота, ведущей полуоси трактора;

- изменение направления движения колёс может осуществляться также с помощью ломающейся рамы. Рама машины может состоять из двух секций, шарнирно соединённых между собой. Между секциями помещён гидравлический цилиндр двухстороннего действия, посредством которого секции могут складываться, в результате чего колёса устанавливаются под углом к начальному направлению движения. Такая схема применяется на мощных колёсных тракторах.

Каждый из перечисленных способов поворота определяет своеобразие кинематики поворота. Рассмотрим сначала кинематику простейшего случая поворота на опорной поверхности трактора с одним передним управляемым колесом (рис. 67).

Примем, что поворот совершается с постоянным радиусом при установившейся скорости движения и допустим, что шины не обладают боковой эластичностью. При этих условиях движение трактора на повороте можно рассматривать как вращение вокруг постоянной оси. Чтобы найти её положение, достаточно определить, где на опорной поверхности пересекаются плоскости, нормальные к векторам скоростей любых двух точек остова трактора, например точки середины передней оси и точки середины заднего моста. Так как скорости и указанных точек перпендикулярны соответствующим осям, то плоскости, нормальные к векторам скоростей точек и , проходят через геометрические оси соответственно переднего и заднего колёс. Точка пересечения этих осей определяет положение проекции искомой оси вращения на опорной поверхности. Эту точку называют центром поворота.

Расстояние от центра поворота до середины заднего моста называют радиусом поворота и определяют по формуле

,

где - продольная база трактора; - угол отклонения переднего колеса от его нейтрального положения при прямолинейном движении.

Минимальный радиус поворота зависит от продольной базы машины и возможного максимального угла отклонения колеса от нейтрального положения. Обычно .

В случае если поворот осуществляется с помощью ломающейся рамы (рис. 68), то минимальный радиус поворота

,

где - максимальный угол, на который может быть отклонена от нейтрального положения каждая секция машины.

Для сравнительных расчётов используют относительный радиус поворота

,

где - ширина колеи машины.

На рисунке 69 показан поворот автомобиля с двумя передними управляемыми колёсами. Чтобы все колёса на опорной поверхности вращались без боковых скольжения и деформаций шин, центр вращения должен лежать на пересечении осей колёс. Для этого необходимо отклонять управляемые колёса от нейтрального положения на разные углы, определяемые из следующих соотношений:

; ,

где и - углы отклонения от нейтрального положения соответственно внутреннего и наружного по отношению к центру поворота колёс; - половина расстояния между осями шкворней поворотных цапф управляемых колёс.

Разность должна быть постоянной независимо от радиуса поворота. Соблюдение требуемого соотношения между углами и часто достигается применением для поворота цапф управляемых колёс специального четырёхзвенного механизма, называемого рулевой трапецией. При правильном подборе параметров рулевой трапеции соотношения между углами и достаточно близки к теоретическим.

В тракторах с регулируемой шириной колеи эти соотношения выдерживаются с достаточной точностью лишь при определённой расстановке колёс, применительно к которой были подобраны параметры рулевой трапеции. При изменении ширины колеи, требуемые соотношения нарушаются.

Переход от прямолинейного движения к повороту с происходит от до , а выход из поворота от до . Поэтому поворот с происходит только на части траектории.

9.1.2. Влияние боковой эластичности шины на положение центра поворота и величину радиуса поворота. Недостаточная, нормальная и излишняя поворачиваемость машины

Рассмотрим поворот автомобиля и трактора с учётом бокового увода шин, возникающего при повороте под действием боковой составляющей инерционной силы и других возможных боковых сил (ветер, наклон дороги и т.д.). На рисунке 70 изображена кинематика поворота машины с учётом бокового увода шин.

В общем случае углы и увода шин соответственно передних и задних колёс различны. Углы увода шин правого и левого колёс каждой оси можно принять одинаковыми. В результате увода шин движение передней и задней осей отклоняется от траекторий, по которым они двигались бы при отсутствии увода.

Задняя ось машины будет двигаться по направлению вектора , наклонённого под углом к продольной оси машины, а передняя ось – по направлению вектора , наклонённого к указанной оси под углом , где - среднее значение углов поворота осей передних колёс. Мгновенный центр вращения машины переместится из точки , где он находился бы при отсутствии бокового увода шин, в точку , лежащую на пересечении перпендикуляров к векторам скоростей и .

В связи с этим радиус поворота машины примет значение , которое можно определить из соотношения

,

откуда

.

Так как углы бокового увода шин незначительны, и боковой увод шин может иметь существенное значение только при больших скоростях движения, когда углы не велики, то можно принять

.

Сравним значения радиуса со значением , который получился бы в аналогичных условиях при отсутствии бокового увода шин. Если , то боковой увод шин не влияет на величину радиуса поворота и , а меняется только положение центра поворота. Если , то ; если , то . Таким образом, в первом случае поворот будет совершаться по более пологой кривой, чем поворот машины на колёсах, не обладающих боковой упругостью, а во втором случае – по более крутой кривой. Следовательно, траектория поворота зависит не только от положения управляемых колёс, но и от скорости движения, радиуса поворота и других факторов, влияющих на боковой увод шин.

Соотношения между радиусами и характеризуют поворачиваемость автомобиля. Если , то поворачиваемость автомобиля нормальная, если - излишняя, а при - недостаточная.

При нормальной поворачиваемости автомобиля значение углов отклонения управляемых колёс от нейтрального положения, необходимое для получения требуемого радиуса поворота, не зависит от боковой упругости шин. Однако траектория поворота может быть при этом различной, так как от значения углов бокового увода шин зависит положение центра поворота. При недостаточной поворачиваемости для получения нужного радиуса поворота приходится отклонять управляемые колёса от нейтрального положения на большиё угол, чем это потребовалось бы при тех же условиях в случае отсутствия бокового увода шин, а при излишней поворачиваемости – на меньший угол.

У автомобилей с излишней поворачиваемостью по мере повышения скорости движения углы отклонения управляемых колёс, требуемые для поворота с заданным радиусом, уменьшаются. Наконец, может наступить такое положение, когда поворот будет совершаться при нейтральном положении колёс только за счёт бокового увода шин. Если дополнительно к этому начинается боковое скольжение шин, то водителю для поддержания заданного радиуса поворота необходимо поворачивать рулевое колесо в сторону, противоположную направлению поворота.

Из приведённого выше следует, что излишняя поворачиваемость, в особенности при движении на высоких скоростях, снижает курсовую устойчивость и создаёт дополнительную напряжённость в управлении автомобилем. Поэтому у легковых автомобилей стремятся создать небольшую недостаточную поворачиваемость. Для этого предпринимают следующие конструктивные меры, способствующие увеличению бокового увода шин передних колёс по сравнению с задними: центр тяжести автомобиля располагают несколько ближе к передней оси; в шинах передних колёс создают меньшее давление воздуха, чем в задних, и т.д.

Грузовые автомобили и тракторы также относятся к категории машин, обладающих недостаточной поворачиваемостью.

При криволинейном движении автомобиля и трактора каждая из его осей должна одновременно проходить разные пути, между тем как обе оси, будучи сблокированными, стремятся двигаться с одинаковыми поступательными скоростями.

На поворотах, если они совершаются при взаимоблокированных ведущих осях, почти всегда наблюдается циркуляция паразитной мощности. Передние колёса, которые должны пройти больший путь, чем задние, движутся со скольжением, и на них действуют отрицательные касательные силы тяги. Чем меньше радиус поворота, тем больше возбуждаемая паразитная мощность. Для устранения возникновения паразитной мощности устанавливают муфты свободного хода и межосевые дифференциалы.

Дата добавления: 2015-10-24