Управляемость и устойчивость скоростных автомобилей
При изучении движения автомобилей наиболее сложными вопросами являются управляемость и устойчивость. Для скоростных автомобилей эти вопросы имеют первостепенное значение, так как они связаны с безопасностью движения, на что с увеличением скорости должно быть обращено особенно большое внимание.
Устойчивость автомобиля определяется его способностью противостоять боковому заносу и опрокидыванию.
Под управляемостью автомобиля понимается его способность сохранять заданное направление движения (что иногда называют держанием дороги), а при движении на повороте — точно следовать повороту управляемых колес.
Оба эти качества связаны между собой, так как плохая управляемость автомобиля приводит к потере устойчивости и заносу автомобиля. Совместное рассмотрение этих вопросов дает возможность выявить влияние основных конструктивных факторов как в том, так и в другом отношении.
Ниже будут рассмотрены основные условия управляемости и устойчивости автомобиля и факторы, от которых, они зависят, а также указаны способы повышения устойчивости и улучшения управляемости скоростных автомобилей.
Для того, чтобы выявить влияние отдельных факторов на управляемость и устойчивость автомобиля, необходимо рассмотреть отдельно движение автомобиля по прямой и движение на повороте.
При движении по прямой должна быть обеспечена хорошая управляемость, заключающаяся в том, что автомобиль должен сохранять заданное направление, не вызывая у водителя необходимости постоянно выправлять его. В тех случаях, когда колебания одного из колес передаются через органы подвески, рулевого управления и даже раму другому колесу, может наступить явление резонанса, что приводит к колебаниям всего передка автомобиля и вилянию передних колес. Такое виляние колес, нарушив управляемость автомобиля, может привести к потере устойчивости.
При движении на повороте наибольшее значение приобретает устойчивость автомобиля против заноса и опрокидывания под действием центробежной силы.
При переходе автомобиля к прямолинейному движению после завершения поворота большое значение для управляемости имеет способность автомобиля к быстрому выпрямлению, или так называемая стабилизация. Эта способность автомобиля также зависит от ряда конструктивных факторов.
Конструктивные факторы, влияющие на управляемость автомобиля
Жесткость рамы. Рама должна обладать жесткостью в горизонтальной и вертикальной плоскости. Для скоростных автомобилей наибольшее значение имеет жесткость в горизонтальной плоскости (по сравнению с автомобилями других видов), недостаток этой жесткости может привести к продольному смещению одного лонжерона по отношению к другому, что вызовет ухудшение управляемости. Это явление может произойти при торможении автомобиля с большой скорости, когда вследствие неодинаковой затяжки тормозов правой и левой сторон может появиться сила, стремящаяся сдвинуть один лонжерон по отношению к другому.
Чтобы противостоять скручиванию, рама должна обладать достаточной жесткостью также и в вертикальной плоскости.
Для обеспечения большой жесткости в горизонтальной плоскости рама должна иметь простую треугольную форму. Однако такая форма рамы не получила широкого распространения, так как на ней очень трудно размещать агрегаты силовой передачи. В некоторых случаях для обеспечения жесткости раме придают форму трапеции; большей же частью сохраняют форму рамы прямоугольной и добиваются наибольшей жесткости применением поперечных балок-траверс.
Жесткость рамы в вертикальной плоскости обеспечивается выбором соответствующих размеров и профиля лонжеронов. Значительное повышение жесткости дают к-образные и х-образные поперечные балки.
Эластичность шин. Особенностью шин является то, что, помимо деформации в радиальном направлении, они имеют под действием боковой силы (например, та повороте) некоторую деформацию в боковом направлении, так называемый боковой увод. В этом случае колесо катится не в своей плоскости, а под некоторым углом к ней, называемым углом бокового увода (рис. 131). Как показали исследования академика Е. А. Чудакова*, боковой увод колес оказывает большое влияние на устойчивость автомобиля.
 Рис. 131. Деформация шины под действием боковой силы |
Благодаря наличию бокового увода колес появляется стабилизирующий момент шины, стремящийся вернуть колесо в его плоскость качения, т. е. выравнять колесо в новом заданном им направлении, полученном в результате поворота.
Значительный боковой увод шин затрудняет управление и нарушает точность работы рулевого механизма. Поэтому для шин скоростных автомобилей боковая эластичность должна быть уменьшена по сравнению с боковой эластичностью шин обычных легковых автомобилей.
Величина боковой эластичности зависит от конструкции шин, ширины профиля шины и внутреннего давления в ней. Повышение внутреннего давления и увеличение жесткости боковин покрышек уменьшают боковую эластичность шин.
Радиальная эластичность шин влияет на управляемость обычно при больших скоростях движения, когда инерция неподрессоренных масс имеет большое значение. При этом от деформации шин и быстрого изменения этих деформаций могут возникать периодические колебания, которые в случае недостаточной чувствительности подвески передаются всем агрегатам автомобиля.
В том случае, когда внутреннее давление повышается относительно немного, шины скоростных автомобилей сохраняют большую чувствительность к неровностям дороги, чем рессорная подвеска, в особенности при наезде на небольшие неровности, которые встречаются на дорогах с усовершенствованным покрытием.
Подвеска автомобиля. Для обеспечения хорошей управляемости автомобиля подвеска должна смягчать толчки и обеспечивать быстрое гашение вызываемых ими колебаний; кроме того, она должна сохранять постоянство ширины колеи как передних, так и задних колес в моменты подъемов и опускания при наезде на неровности дороги.
Уменьшение веса неподрессоренных частей позволяет уменьшить жесткость упругих элементов подвески (рессор, пружин или стержней) и получить мягкую подвеску, почти полностью поглощающую толчки, передаваемые колесами. При значительном увеличении внутреннего давления в шинах скоростных автомобилей толчки от небольших неровностей дороги неполностью поглощаются шинами, а передаются на подвеску, которая должна обеспечить мягкость хода.
Неправильный выбор упругих элементов подвески часто способствует появлению боковых и продольных колебаний, вызывающих соответственно боковую и продольную качки и этим ухудшающих устойчивость автомобиля.
Для ослабления действия колебаний рессоры снабжаются амортизаторами, которые уменьшают амплитуду колебаний рессоры, не сокращая периода этих колебаний. Амортизаторы способствуют улучшению управляемости автомобиля, но они могут уменьшить степень свободы и повысить жесткость рессор. Устранение этих отрицательных последствий зависит от конструкции и регулировки амортизаторов, поэтому амортизаторы, подобранные соответственно параметрам свободных колебаний данной подвески, не должны намного увеличивать ее жесткости.
Описанные выше свойства подвески могут влиять главным образом на устойчивость в продольной плоскости, т. е. на уменьшение продольных колебаний. При рессорной подвеске каждая рессора подвергается скручиванию от боковых усилий, которые могут вызвать большие изменения в способности автомобиля держать дорогу.
Конструкция и способ крепления подвески влияют как на ее жесткость, так и на сохранение постоянства ширины колеи. При независимой подвеске постоянство ширины колеи наилучшим образом обеспечивается при качании колес в продольной плоскости. Сохранение постоянства ширины колеи необходимо для хорошей управляемости автомобиля. В случае изменения ширины колеи колеса скользят, перемещаясь в поперечном направлении, при этом часть силы сцепления оказывается использованной на это перемещение.
Использование сцепления колес в продольном направлении связано с использованием сцепления колес в поперечном направлении. Практически коэффициент сцепления колес с дорогой можно считать одинаковым в продольном и поперечном направлении. Таким образом, использование части силы сцепления на перемещение колес в поперечном направлении уменьшает сцепление колес в продольном направлении. Для ведущих колес автомобиля это уменьшение сцепления колес с дорого в продольном направлении приводит к пробуксовке и скольжению колес, вследствие чего может наступить занос автомобиля. В случае скольжения управляемых (передних) колес становится невозможным повернуть автомобиль и он будет скользить в прежнем направлении с повернутыми колесами; управляемость автомобиля при этом, конечно, теряется. Кроме того, при колебаниях подвески может возникать гироскопический момент, действующий в горизонтальной плоскости. Этот момент стремится повернуть колесо, что также ухудшает управляемость.
Оба указанных явления, происходящих при изменении ширины колеи, ухудшают управляемость и устойчивость автомобиля.
Механизмы управления и передние колеса. Как указывалось, для обеспечения хорошей управляемости рулевое управление скоростных автомобилей должно иметь относительно небольшое передаточное число и обладать обратимостью. Кроме того, система тяг рулевого привода не должна передавать колебания от одного колеса к другому во избежание возможного резонанса колебаний и появления виляния передних колес.
Легкость управления и стабилизация передних колес в значительной мере зависят от углов установки передних колес.
Углы развала и схода колес для скоростных автомобилей имеют такое же значение, как и для обычных легковых автомобилей.
Углы наклона шкворня назад (α) и вбок (β), определяющие стабилизацию управляемых колес, имеют для скоростных автомобилей весьма важное значение, и их величина отличается от величины соответствующих углов у современных серийных легковых автомобилей.
При наклоне шкворня назад его ось пересекается с дорогой в точке, лежащей впереди точки касания колеса с дорогой. В результате этого при движении автомобиля на повороте боковая реакция Y, возникающая от центробежной силы, приложенная в точке касания колеса с дорогой, образует стабилизирующий момент. Этот стабилизирующий момент М, равный Yc (рис. 132а), стремится вернуть колесо в нейтральное положение.
 Рис. 132. Углы установки передних колес |
Угол наклона шкворня вбок β (см. рис. 132б) также способствует стабилизации, так как благодаря этому наклону при поворачивании колес из нейтрального положения происходит подъем передней части автомобиля. В результате затраты работы на подъем передней части автомобиля накапливается некоторое количество энергии, использование которой способствует стабилизации колес.
У большинства современных легковых автомобилей углы наклонов шкворня назад и вбок имеют сравнительно небольшое значение. У автомобиля М-20 допускают даже отрицательный угол наклона шкворня назад; величина угла колеблется в пределах ±0,5°. У легковых автомобилей применяют небольшие углы наклона шкворней вследствие установки шин низкого давления, имеющих большую боковую эластичность; стабилизация управляемых колес при этом в основном происходит за счет бокового увода шин.
Для скоростных автомобилей, имеющих шины высокого давления, стабилизация управляемых колес должна обеспечиваться соответствующими углами их установки. Вследствие этого большинство гоночных автомобилей имеет относительно большую величину углов наклона шкворня назад и вбок. У большинства современных гоночных автомобилей угол наклона шкворня назад составляет 2—3°, а угол наклона шкворня вбок 7—9°.
Углы установки колес должны сохраняться во время работы автомобиля, так как от этого зависит стабилизация управляемых колес во время движения.
Нарушения в установке колес вследствие случайных толчков и ударов способствуют появлению вредных колебательных движений (виляние).
Причина виляния заключается в конструктивных особенностях передней части автомобиля. Многие наблюдения показывают, что, помимо чисто конструктивных факторов, виляние вызывается также неравномерностью накачки шин, низким давлением в них и неуравновешенностью колес.
Колесо автомобиля может быть уравновешено статически и динамически. Статически уравновешенное колесо находится в безразличном равновесии по отношению к своей оси вращения, и это равновесие не зависит от распределения веса относительно средней плоскости вращения колеса. Динамически уравновешенное колесо, наоборот, характеризуется тем, что центр тяжести его лежит в средней плоскости вращения. Для скоростных автомобилей особенно важно, чтобы все колеса были динамически сбалансированы. Поэтому противовесы, устанавливаемые при уравновешивании колес, должны иметь симметричное расположение относительно средней плоскости вращения колеса.
* Чудаков Е. А., акад. Влияние боковой эластичности колес на движение автомобилей, АН СССР, 1947.
| ← Предыдущая страница | оглавление | Следующая страница → |
