Управляемость автомобиля и показатели управляемости

Управляемость — свойство автомобиля точно следовать положению управляемых колес. Очевидно, что управляемость связана с безопасностью движения транспортных средств. Потеря управляемости обычно проявляется в самопроизвольном отклонении траектории движения автомобиля от положения управляемых колес, заданного водителем, а также в появлении заноса управляемых колес. Потеря управляемости приводит к «рысканию» автомобиля по дороге и увеличению динамического коридора. Управляемость зависит от боковой эластичности шин, стабилизации управляемых колес, соответствия кинематики их подвески кинематике рулевого привода. Управляемость также зависит от внешних условий: наличия бокового ветра, коэффициента сцепления дороги с шинами колес; поперечного уклона дороги и т.д.

Подавляющее большинство опасных дорожных ситуаций водитель ликвидирует путем своевременного изменения направления движения, объезжая опасную зону или объект. При этом может либо повернуть автомобиль, отведя его от опасной зоны под углом к прежнему направлению движения, либо выехать в соседний ряд.

Схема первого маневра приведена на рис.44

Рис.4. 4. Схема для расчета показателей управляемости при объезде препятствия

На расстоянии S_а водитель замечает препятствие (опасную зону). На пути S_р, пройденном за время реакции t_р, он принимает решение о маневре. За время t_ру (время запаздывания рулевого управления, t_ру »0,15-0,35 с) водитель поворачивает рулевое колесо, но автомобиль продолжает двигаться прямолинейно, т.к. управляемые (передние) колеса не меняют свое положение. В положении III автомобиль начинает двигаться криволинейно. При этом колеса повернуты на угол q. Радиус поворота

В положении IV q =0 и автомобиль двигается под углом g_м. Безопасность маневра (поворота) будет обеспечена, если в конце маневра между автомобилем и препятствием останется некоторый интервал D.

Условия безопасности маневра в этом случае

Потеря устойчивости автомобилем наиболее вероятна в середине маневра, где кривизна траектории максимальна. Из условия равенства центробежной силы и силы сцепления на этом участке имеем

где j_у — коэффициент поперечного сцепления; q — угловая скорость автомобиля (q»0,15-0,3 рад/с); Т₁ — время поворота колес на первом этапе маневра.

Из выражения ( ) находим максимально допустимую угловую скорость поворота передних колес по условиям сцепления

Выполняя маневр второго вида, водитель должен повернуть рулевое колесо несколько раз. В конце маневра курсовой угол g_м равен нулю и автомобиль двигается параллельно прежнему направлению движения.

Формулы для определения параметров движения автомобиля на маневрах приведены в табл. .

Таблица

Параметры движения автомобиля при маневрах

Маневр	g	х	у
Вход в поворот
Выход из поворота
Смена полосы движения

Поворачиваемость автомобиля

Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять направления движения без поворота управляемых колес. К основным причинам поворачиваемости относятся: увод колес, связанный с эластичностью шин, и поперечный крен кузова, в результате упругой деформации подвески.

Уводом называют качения колеса под углом к своей плоскости. В результате действия боковых сил (поперечный уклон дороги, поворот автомобиля, неровная дорога, боковой ветер) шины колес деформируются в поперечном направлении, траектории движения колес изменяются и автомобиль отклоняется от заданного водителем направления движения.

Под действием боковой силы Р_у (рис. ) шина деформируется в поперечном направлении,, а колесо начинает катиться под некоторым углом (угол увода) d_у к первоначальной траектории и происходит перераспределение реакций дороги по площади контакта шины с дорогой (рис. ). При росте боковой силы (Р_у) увеличивается угол увода — вначале растет линейно (рис. ), а при дальнейшем повышении Р_у начинается частичное скольжение колеса в поперечном направлении (участок ав), завершающееся полным скольжением колеса (участок вс).

Рис.45. Схемы деформации (а) и увода (б) колеса и зависимость Рd_у
от боковой силы Р_у

Для участка оа

( )

где К_у — коэффициент сопротивления уводу.

Максимальные углы увода шин составляют 12-18⁰ . Коэффициент К_у тем больше, чем выше давление воздуха в шине, шире обод колеса и больше число слоев каркаса шины.

Величина К_у зависит от многих факторов, из которых наибольшее значение имеют: угол увода; вертикальная и касательная сила, приложенные к колесу; наклон колеса к вертикали. Влияние этих факторов учитывают экспериментальными поправочными коэффициентами q₁, q₂, q₃ и q₄. С учетом этих коэффициентов формула ( ) принимает следующий вид

( )

где q₁ и q₂ — коэффициенты, учитывающие изменение вертикальной и касательной сил; q₃ — изменение угла наклона колеса; q₄ — влияние угла d_у и характера опорной поверхности (дороги0; — максимальный коэффициент сопротивления уводу при изменении вертикальной нагрузки и малых значениях d_ув. Для шин легковых автомобилей К_у = 15-40 кН/рад, а для шин грузовых автомобилей и автобусов К_у = 30-100 кН/рад.

Рассмотрим кинематику поворота автомобиля с учетом бокового увода. При наличии бокового увода векторы скоростей передней V₁ и задней V₂ осей отклоняются от тех направлений, которые они имели бы при жестких в поперечном направлении шинах колес, соответственно на углы увода и . Точка пересечения перпендикуляров, проведенных к векторам скоростей V₁ и V₂ даст мгновенный центр поворота автомобиля О_б с радиусом R_б (рис. )

Рис. Схема движения автомобиля на повороте с эластичными шинами

Поскольку , то из треугольников ЕМО_б и МFО_б согласно рис. имеем

( )

Для автомобиля с жесткими шинами = = 0. Из формулы ( ) следует, что даже при q = 0 автомобиль может двигаться по криволинейной траектории с радиусом R_б. Кривизна траектории зависит от соотношения углов и . Если = , то шинную поворачиваемость называют нейтральной или нормальной. В случае, когда > , поворачиваемость недостаточная, так как R_б > R. Если > , то R_б < R и поворачиваемость является излишней.

Оценим управляемость автомобиля, движущегося прямолинейно по горизонтальной дороге, в случае действия бокового ветра или на участке дороги с поперечным уклоном, т.е. боковой силы Р_у.

Если автомобиль имеет нейтральную (нормальную) поворачиваемость, то = =d_у и он движется прямолинейно под углом к своей продольной оси (рис. ,а).

Рис. Схемы движения автомобилей:

а) с недостаточной поворачиваемостью;

б) с излишней поворачиваемостью;

в) эластичными шинами

Чтобы автомобиль двигался без увода, необходимо управляемые колеса повернуть направо на угол d_у. Хотя этот маневр несложный, но при большой скорости динамический коридор существенно увеличивается и появляется опасность столкновения со встречным транспортом.

Если автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью ( > ), то он поворачивается около мгновенного центра поворота О_б (рис. ,б). При этом возникает центробежная сила Р_ц.у, направленная противоположному Р_у направлению и препятствующую появлению заноса. Автомобиль в такой ситуации сохраняет управляемость. В случае несовпадения точек приложения этих сил (точки О₁ и О₂, рис. ), возможно появление разворачивающего момента М, направленного в данном варианте против часовой стрелки.

При излишней поворачиваемости ( < ) автомобиль около мгновенного центра поворота О_б, а возникшая центробежная сила Р_ц.у сложится с возмущающей силой Р_у. Тогда автомобиль будет двигаться по траектории все уменьшающегося радиуса, пока не начнется занос. Такой автомобиль очевидно является неустойчивым и при определенных условиях может потерять управляемость.

Для количественной оценки шинной поворачиваемости автомобиля служит коэффициент поворачиваемости

( )

где и — коэффициент сопротивления уводу переднего и заднего мостов автомобиля. При излишней шинной поворачиваемости автомобиля , при нейтральной , а при недостаточной . Например, ВАЗ 2103 без нагрузки =0,84, а с полной нагрузкой =1,10. У автомобиля ЗИЛ 130 в снаряженном состоянии =0,51, с полной нагрузкой =1,35. Следовательно, при полной нагрузке автомобили имеют излишнюю поворачиваемость.

Потеря управляемости у автомобиля, имеющего излишнюю поворачиваемость, может наступить и при отсутствии боковой силы. Например, при достижении автомобиля некоторой критической скорости. Для оценки V_кр будем учитывать лишь центробежные силы. Тогда

( )

Поскольку из выражения ( ) следует, что

( )

то при достижении автомобилем V_кр для движения его по траектории радиуса R_б угол q поворота управляемых колес должен быть равен нулю. Тогда из формул ( ), ( ) и ( ) получим

В выражение ( ) не входит радиус поворота автомобиля. Это значит, что при достижении автомобилем критической скорости даже прямолинейное движение его становится неустойчивым.

Для автомобиля с нормальной поворачиваемостью

При недостаточной поворачиваемости

И критическая скорость отсутствует. Поэтому при конструировании автомобиля стремятся получить небольшую недостаточную поворачиваемость. Это можно достичь смещением центра тяжести автомобиля ближе к передней оси и уменьшением давления воздуха в шинах передних колес. У грузовых автомобилей со спаренными задними колесами несмотря на то, что b>0, углы увода передних колес больше, чем у задних. Если , необходимо чтобы у автомобиля .

Кривая поворачиваемость автомобиля связана с инструкцией его подвески.

На рис. показан задний мост автомобиля с рессорной подвеской, который совершает правый поворот. Передние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а задние — с помощью серьги. При прогибах рессоры задний мост перемещается по дуге mm (рис. ,а).

Рис.4.8 Поворот заднего моста при крене кузова

Рис.4.9Схемы движения автомобилей с независимой рычажной подвеской

Под действием поперечной силы Р_ку 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 по часовой стрелке (рис. ,в). Поэтому в зависимости от расположения шарнира (или серьги) креновая поворачиваемость автомобилей под действием одной и той же возмущающей силы будет различна. Например, автомобиль А (рис. ,а) повернется вправо, а автомобиль Б – влево (рис. ,б).

Возникающая при повороте центробежная сила Р_ц у автомобиля А направлена в противоположную сторону по сравнению с возмущающей силой Р_ку, а у автомобиля Б в ту же сторону. Поэтому автомобиль А лучше сохраняет направление движения под действием поперечных сил.

Максимальное значение угла поперечного крена обычно ограничено упорами, предусмотренные в конструкции подвески.

Увод колеса возникает также при его наклоне (развале). Если направление поперечной силы совпадает с направлением развала колеса, то увод возрастает. Развал колеса, равный 1⁰, вызывает увод на угол 10-20⁰.

При двухрычажнеой подвеске колесо наклоняется в сторону крена кузова в направлении действия поперечной силы Р_у, что увеличивает угол увода моста, а при однорычажной подвеске колеса наклоняются в сторону, противоположной направлению Р_у.

Для обеспечения недостаточной поворачиваемости автомобиля необходимо, чтобы угол увода переднего моста был больше угла увода заднего моста. Поэтому у легковых автомобилей, у которых а»b , наиболее распространена передняя независимая подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску выполняют зависимой или зависимой на одном поперечном рычаге.

Поскольку расчет траектории с учетом всех факторов трудоемок, то в практике поперечное смещение автомобилей определяют, считая шины жесткими, а расстояние х_м (см. таблицу ) уточняют, применяя поправочный коэффициент , который показывает, во сколько раз фактический путь маневра х_ф больше расчетного х_м. Для сухого асфальтобетонного покрытия , для мокрого — , а для гололеда — .

Критическая скорость автомобиля по управляемости уменьшается при снижении коэффициента сцепления. Поэтому потеря управляемости наиболее вероятна в случае движения автомобиля по мокрым и скользким покрытиям.