Оценка управляемости автомобиля

1. Оценка управляемости транспортного средства

1.1 Поворот автомобиля

Основными параметрами, характеризующими поворот автомобиля, являются радиус поворота и положение центра поворота.

На рисунках 1 и 2 представлены схемы поворота автомобиля с жесткими и эластичными колесами. Точка О представляет собой центр поворота. Она находится на пересечении перпендикуляров, проведенных к векторам скоростей всех колес (мостов) автомобиля. Радиус поворота R (R_Э) представляет собой расстояние от центра поворота до продольной оси автомобиля.

Для автомобиля с жесткими колесами (рисунок 1), у которого векторы скоростей колес совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота лежит на продолжении оси задних колес, а радиус поворота (из ?ОАБ)

,

где L - база автомобиля; и - угол поворота управляемых колес.

В нашем случае

Рисунок 1 - Схема поворота автомобиля с жесткими колесами:

О - центр поворота; А, Б - центры осей передних и задних колес; v₁ ,v₂ - векторы скоростей передних и задних колес

Рисунок 2 - Схема поворота автомобиля с эластичными колесами:

О - центр поворота; А, В - центры осей передних и задних колес; С - расстояние между центром В оси задних колес и точкой Б - проекцией центра поворота на продольную ось автомобиля; v₁, v₂ - векторы скоростей передних и задних колес

Следовательно, радиус поворота автомобиля R с жесткими колесами зависит только от угла поворота управляемых колес.

Для автомобиля с эластичными колесами (рисунок 2), векторы скоростей которых не совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота находится на некотором расстоянии С от оси задних колес, а радиус поворота (из ?ОАБ и ?ОБВ):

,

где д₁, д ₂ - углы увода передних и задних колес (мостов).

Таким образом, радиус поворота автомобиля с эластичными колесами зависит от угла поворота управляемых колес и углов увода передних и задних колес, обусловленных их эластичностью при действии боковой силы.

С учетом радиуса поворота R_Э находим расстояние С (из ?ОБВ):

Следовательно, положение центра поворота автомобиля с эластичными колесами зависит от угла поворота управляемых колес и углов увода передних и задних колес (мостов).

Углы увода передних и задних колес определяем из выражения:

,

где Р_у1,2 - центробежные силы, действующие на повороте, кН;

К_ув - коэффициент сопротивления уводу колес (для грузовых автомобилей равен 1,75 кН/град).

,

В результате получаем

В технической характеристике автомобиля указывается наименьший радиус поворота по колее переднего наружного колеса. Этот радиус определяется экспериментально при максимальном повороте управляемых колес.

Радиус поворота автомобиля по колее переднего наружного колеса можно определить по следующей формуле:

,

где В - колея передних колес.

м.

1.2 Силы, действующие на автомобиль при повороте

Процесс движения автомобиля на повороте включает в себя три фазы (рисунок 3, а): вход в поворот (участок АБ), поворот (БВ) и выход из него (ВГ).

При входе в поворот управляемые колеса двигавшегося прямолинейно автомобиля поворачиваются, и он движется по кривой уменьшающегося радиуса.

При повороте управляемые колеса повернуты на определенный угол, и движение происходит по кривой постоянного радиуса.

При выходе из поворота управляемые колеса возвращаются в нейтральное положение, и автомобиль движется по кривой увеличивающегося радиуса, а затем - прямолинейно.

Во время движения на повороте на автомобиль (рисунок 3, б) действуют следующие силы: центробежная Р_ц и ее поперечная Р_у и продольная Р_х составляющие, а также поперечные реакции дороги: R_y1 - на передний и R _y2 - на задний мосты.

Основной действующей силой при повороте является поперечная составляющая Р_у центробежной силы, которая направлена перпендикулярно продольной оси автомобиля и представляет собой сумму трех сил:

Сила Р'_у всегда возникает при криволинейном движении. Она пропорциональна квадрату скорости и действует в процессе всего поворота. Сила Р"_у появляется в результате изменения угла поворота управляемых колес и действует при входе и выходе из поворота. Сила Р'''_у возникает вследствие изменения скорости движения и действует только при неравномерном движении на повороте. Из трех указанных составляющих наибольшее значение имеет сила Р'_у, на долю которой приходится 90 % силы Р_у. Поэтому для автомобилей общего назначения и специализированных автомобилей силами Р''_у и Р'''_у пренебрегают.

Рисунок 3 - Поворот автомобиля:

а - фазы процесса поворота; б - силы, действующие при повороте; А - Г - характерные точки траектории поворота автомобиля; v₁ v₂ - векторы скоростей передних и задних колес

Их учитывают только для специальных автомобилей (пожарные, автомобили «скорой помощи» и др.), движущихся на поворотах с более высокими скоростями.

При равномерном движении на повороте поперечная составляющая центробежной силы

Она пропорциональна квадрату скорости движения, поэтому быстро возрастает при увеличении скорости.

Поперечные реакции дороги на передний и задний мосты при равномерном движении на повороте

; ,

;

Из этих выражений следует, что центробежные силы, действующие на передний и задний мосты, можно считать пропорциональными приходящемуся на них весу G₁ и G₂

1.3 Поворачиваемость

Основными параметрами, характеризующими поворачиваемость автомобиля, являются углы увода передних и задних колес и соотношение между ними. Показателями поворачиваемости служат критическая скорость автомобиля по уводу и коэффициент поворачиваемости.

1.4 Виды поворачиваемости автомобилей

В зависимости от соотношения углов увода передних и задних колес (мостов) автомобили могут иметь различную поворачиваемость: нейтральную, недостаточную и излишнюю.

Нейтральная поворачиваемость (рисунок 4, а) характеризуется тем, что углы увода передних и задних колес равны (д₁ = д ₂) и, следовательно, радиусы поворота автомобилей с нейтральной поворачиваемостью и жесткими колесами тоже равны, т.е. R_Э = R (рисунок 4, б). Хотя радиусы поворота R_Э = R равны, траектории движения автомобилей с нейтральной поворачиваемостью и жесткими колесами не совпадают, так как центры их поворота находятся в разных точках (О и О_х).

Рисунок 4 - Схемы автомобиля с нейтральной поворачиваемостью:

а - возникновение углов увода колес; б - движение на повороте; v₁, v₂ - векторы скоростей передних и задних колес; О, O₁ - центры поворота автомобилей

Рисунок 5 - Схемы автомобиля с недостаточной поворачиваемостью:

а - возникновение углов увода колес; б - движение на повороте; v₁, v₂ - векторы скоростей передних и задних колес;

О, О₁, - центры поворота автомобилей

Недостаточная поворачиваемость (рисунок 5,а) характеризуется тем, что угол увода передних колес больше, чем задних (д₁>д₂), и R_Э>R. Для движения автомобиля с недостаточной поворачиваемостью (рисунок 5,б) по траектории заданного радиуса управляемые колеса необходимо повернуть на больший угол, чем при жестких колесах, так как на повороте он стремится двигаться по кривой большего радиуса, чем определяемый положением передних управляемых колес.

Следовательно, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью безопасен при движении на повороте, так как у него имеется некоторый резерв «подруливания». Однако управление автомобилем с недостаточной поворачиваемостью на поворотах несколько затрудняется вследствие того, что он поворачивает более полого, чем задано управляемыми колесами.

При действии боковой возмущающей силы Р₆ (ветер, боковой толчок от неровности дороги) прямолинейно двигавшийся автомобиль с недостаточной поворачиваемостью начинает совершать поворот вокруг центра О (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема движения автомобиля с недостаточной поворачиваемостью при действии боковой силы:

v₁, v₂- векторы скоростей передних и задних колес;

О - центр поворота автомобиля

Вследствие этого возникает центробежная сила Р_ц, поперечная составляющая которой Р_у действует в противоположную сторону по отношению к боковой силе Р_б.

Рисунок 7 - Схемы автомобиля с излишней поворачиваемостью:

а - возникновение углов увода колес; б - движение на повороте; v₁ v₂ - векторы скоростей передних и задних колес;

О, O₁ - центры поворота автомобилей

В результате увод колес уменьшается. Таким образом, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью автоматически стремится сохранить заданное прямолинейное движение, т.е. он устойчив и безопасен при прямолинейном движении.

Излишняя поворачиваемость (рисунок 7,а) характеризуется тем, что угол увода передних колес меньше, чем задних (д₁<д₂), и R_Э<R. Для движения автомобиля (рисунок 7,б) с излишней поворачиваемостью по траектории данного радиуса управляемые колеса следует повернуть на меньший угол, чем при жестких колесах, так как он на повороте стремится двигаться по кривой непрерывно уменьшающегося радиуса, что может привести к заносу задних колес. Следовательно, автомобиль с излишней поворачиваемостью при движении на повороте не имеет резерва «подруливания» и более опасен, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью.

Рисунок 8 - Схема движения автомобиля с излишней поворачиваемостью при действии боковой силы:

v₁, v₂ - векторы скоростей передних и задних колес; О - центр поворота автомобиля

Однако управлять автомобилем с излишней поворачиваемостью на повороте легче, так как он поворачивает на больший угол по сравнению с заданным управляемыми колесами.

При действии боковой силы Р_б двигавшийся прямолинейно автомобиль с излишней поворачиваемостью начинает перемещаться по кривой вокруг центра поворота О (рисунок 8). В этом случае поперечная составляющая Р_у центробежной силы Р_ц действует в ту же сторону, что и боковая сила Р_б. Увод колес возрастает, что приводит к увеличению центробежной силы. И если не повернуть управляемые колеса в противоположную начавшемуся повороту сторону, то автомобиль будет двигаться по кривой непрерывно уменьшающегося радиуса (по спирали), в результате чего может произойти занос или опрокидывание. Следовательно, автомобиль с излишней поворачиваемостью неустойчив при прямолинейном движении и менее безопасен, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью.

1.5 Критическая скорость автомобиля по уводу

Для нахождения критической скорости автомобиля по уводу определим изменение угла поворота управляемых колес автомобиля в зависимости от скорости его движения. С этой целью выразим угол поворота управляемых колес из формулы для радиуса поворота автомобиля с эластичными колесами:

,

где - углы увода передних и задних колес; Р_y1,Р_y2 - боковые силы, действующие на передний и задний мосты;

k_ув, k_ув2 - коэффициенты сопротивления уводу передних и задних колес.

У автомобиля с недостаточной поворачиваемостью при увеличении скорости возрастают разность углов увода д₂ и д₁ и, следовательно, угол поворота и управляемых колес. При этом угол поворота управляемых колес всегда остается положительным.

У автомобиля с излишней поворачиваемостью при увеличении скорости движения угол поворота управляемых колес и уменьшается. При определенной скорости разность углов увода:

Эта скорость называется критической по уводу.

При движении с критической скоростью по уводу достаточно небольшого бокового возмущения (наезд на неровность дороги, порыв ветра и др.), чтобы возник прогрессивно возрастающий увод, и двигавшийся прямолинейно автомобиль стал круто поворачиваться.

Так как сначала автомобиль двигался прямолинейно и угол поворота управляемых колес был равен нулю (и=0), то с учетом предыдущих выражений можно записать

Обозначив v = v_УB, определим критическую скорость автомобиля по уводу, км/ч:

Критической скоростью по уводу называется скорость, по достижении которой при любом боковом возмущении начинается прогрессивное отклонение автомобиля от направления движения, заданного управляемыми колесами.

Из формулы для v_yB следует, что автомобиль имеет недостаточную поворачиваемость, так как критическую скорость по уводу имеет отрицательное значение, при д1>д2.

Автомобили с недостаточной поворачиваемостью устойчивы при прямолинейном движении, при действии боковой силы располагают резервом «подруливания» на поворотах и не имеют критической скорости по уводу. Чем больше недостаточная поворачиваемость автомобиля, тем меньше утомляется водителя.

Управление автомобилем с излишней поворачиваемостью затруднено, и такой автомобиль менее безопасен, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью. Так, при скорости автомобиля, равной критической по уводу (v=v_yB), для движения по кривой траектории управляемые колеса нужно устанавливать в нейтральное положение, а при скорости, большей критической по уводу (v>v_yB), управляемые колеса необходимо поворачивать в сторону, противоположную повороту. Все это нарушает управляемость автомобиля и затрудняет работу водителя, так как данный недостаток он вынужден устранять поворотом управляемых колес.

Чрезмерно большая поворачиваемость автомобиля затрудняет работу водителя, так как для изменения направления движения требуется большая сила. Обеспечить нейтральную поворачиваемость автомобиля очень сложно. В связи с этим стремятся делать автомобили с недостаточной поворачиваемостью.

Недостаточная поворачиваемость достигается уменьшением давления воздуха в шинах передних колес по сравнению с задними, вследствие чего снижается их сопротивление уводу и увеличивается угол увода д₁; расположением центра тяжести автомобиля ближе к оси передних колес, что увеличивает действие центробежной силы на передние колеса и угол д₁ увода передних колес; разной конструкцией подвески колес автомобиля: передняя независимая, а задняя зависимая; применением переднего привода.

1.6 Коэффициент поворачиваемости автомобиля

Этот коэффициент позволяет определять поворачиваемость автомобиля. Его значение находится по следующей формуле:

Для легковых автомобилей коэффициенты сопротивления уводу передних и задних колес обычно равны (k_yВ1=k_yВ2) и коэффициент поворачиваемости

Для грузовых автомобилей ограниченной проходимости с двухскатными задними колесами и одинаковым давлением воздуха в шинах передних и задних колес коэффициент поворачиваемости можно определить по формуле:

Если коэффициент поворачиваемости меньше единицы (з_пов<1), то автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью. Если же данный коэффициент больше единицы (з_пов>1), то автомобиль имеет излишнюю поворачиваемость. При этом, чем больше значение коэффициента поворачиваемости, тем меньше поперечная устойчивость автомобиля и больше его склонность к заносу.

1.7 Маневренность

Автомобили должны обладать хорошей маневренностью. Она требуется при значительном изменении направления движения в условиях города, когда часто приходится совершать повороты на 90°, при необходимости в движении задним ходом или полном развороте. Высокая маневренность также необходима при погрузке и разгрузке автомобилей на небольших площадках.

Маневренность характеризует удобство использования автомобиля и легкость управления им при необходимости движения и выполнения поворотов и разворотов в стесненных условиях, а также проходимость автомобиля при движении по грунтовым дорогам с крутыми поворотами, по пересеченной местности и через лес. От маневренности автомобилей зависят размеры необходимых площадок в местах погрузки и выгрузки, а иногда и затраты времени на выполнение этих операций, требуемая ширина проездов в гаражах, на площадках для стоянки и в зонах обслуживания.

1.8 Показатели маневренности

Основными показателями маневренности автомобиля (рисунок 9) являются минимальный радиус поворота R_min, внутренний R_В и наружный R_н габаритные радиусы поворота, минимальный радиус поворота внутреннего заднего колеса R_BK, поворотная ширина b_п по колее колес и поворотная ширина b_к автомобиля (коридора).

Минимальный радиус поворота автомобиля представляет собой расстояние от центра поворота до оси колеи переднего наружного управляемого колеса при максимальном угле его поворота.

Рисунок 9 - Показатели маневренности автомобиля: О - центр поворота

Минимальный радиус поворота, м, указывается в технической характеристике автомобиля. Его можно вычислить по формуле

,

где L - база автомобиля; и_mах - максимальный угол поворота наружного колеса (рисунок 10, а).

Внутренним и наружным габаритными радиусами поворота (R_B и R_H) называются расстояния от центра поворота до ближайшей и наиболее удаленной точек автомобиля при максимальном повороте управляемых колес.

Поворотная ширина по колее колес -- это разность между минимальными радиусами поворота переднего наружного и заднего внутреннего колеса:

Поворотная ширина по колее колес автомобиля определяет минимально необходимую ширину проезжей части твердого покрытия дороги.

Поворотной шириной автомобиля (коридора) называется разность между наружным и внутренним габаритными радиусами поворота автомобиля:

Поворотная ширина коридора определяет минимальную ширину проезда или ширину полосы движения, необходимую при крутых поворотах, а также возможность движения в проездах заданных размеров и формы.

Рисунок 10 - Схемы автомобилей с передними (а) и всеми (б) управляемыми колесами: О - центр поворота.