Разработка системы управления подвеской автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт

Федерального государственного автономного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

в г. Таганроге

Реферат

по предмету:

Электронные системы электрооборудования автомобилей и тракторов

на тему:

Разработка системы управления подвеской автомобиля

Таганрог 2011

ВВЕДЕНИЕ

подвеска рулевое управление автомобиль

Под управляемостью понимают способность автомобиля сохранять или изменять направление движения точно в соответствии с приложенными воздействиями. Для сохранения прямолинейного движения управляемые колеса автомобиля и ось подвески устанавливаются под некоторыми углами, что обеспечивает стабилизацию передних колес (возврат в нейтральное положение) при случайных отклонениях после выхода из поворота.

На управляемость автомобиля определенное влияние оказывают некоторые эксплуатационные факторы. Например, снижение давления воздуха в шинах высокого давления увеличивает угол увода, а в широкопрофильных -- уменьшает. Радиальные шины лучше противостоят уводу, чем диагональные. Поэтому при установке, к примеру, сзади радиальных шин, а впереди диагональных недостаточная поворачиваемость автомобиля увеличивается, и наоборот.

Повышение нагрузки на ось уменьшает величину увода колес, поэтому опытные водители проходят поворот с небольшим ускорением. Это приводит к увеличению нагрузки на заднюю ось, повышается сцепление задних колес с дорогой, автомобиль более устойчив на поворотах. Тормозить же на повороте не следует, резко возрастает опасность заноса.

Под маневренностью понимается способность автомобиля выполнять разворот на возможно малой площади. Маневренность автомобиля зависит от его габаритных размеров, величины колесной базы, ширины колеи, предельных углов поворота передних колес. Основной параметр, характеризующий маневренность автомобиля -- его минимальный радиус поворота. Легковые автомобили обладают лучшей маневренностью (радиус поворота меньше 6 м) по сравнению с грузовыми, и требуют гораздо меньше площади для маневрирования и разворотов.

И не жестко и не мягко

Давайте поговорим об одном из самых важных элементов автомобиля, благодаря которому, проезжая очередную кочку, наш автомобиль двигается дальше, а не скачет, как чертик на пружинке, вытряхивая всё из водителя. Мы поговорим об амортизаторе, о том какие типы амортизаторов бывают, как они устроены, какие последние технические решения применены в современных амортизаторах.

Вес автомобиля принимают на себя пружины рессоры или торсионы, а амортизаторы занимаются гашением вертикальных колебаний и активно влияют на сцепление с дорожным покрытием во время маневрирования, разгона и торможения. При наезде на препятствие колесо отскакивает, и работа амортизатора сводится к предотвращению его дальнейшего колебания. При маневрировании машина наклоняется во внешнюю сторону поворота и высвобождает внутреннюю. А во время торможения загружает переднюю часть авто и высвобождает заднюю. Когда же машина разгоняется, происходит обратная ситуация по сравнению с торможением. Во всех этих случаях одно или несколько колёс теряют сцепление с дорогой, что может привести в некоторых ситуациях к весьма неприятному исходу. В данных ситуациях было бы идеально, если бы машина находилась в горизонтальном положении. Поэтому задача амортизатора удерживать колесо в постоянном контакте с дорогой, то есть колесо должно как можно мягче и четче обогнуть препятствие и так же четко и быстро вернуться на дорогу, то есть максимально долго обеспечивать сцепление с дорожным покрытием.

Простейший амортизатор представляет собой некий герметичный цилиндр с маслом. В этом корпусе перемещается шток один конец, которого оканчивается поршнем с уплотнительным концом и системой клапанов, а другой конец через опорные подшипники «несет» на себе кузов или раму автомобиля. Соответственно корпус цилиндра опирается на колесо.

1. Подвеска автомобиля

1.1 Ходовая часть автомобиля

Ходовая часть автомобиля предназначена для перемещения автомобиля по дороге, причем с определенным уровнем комфорта, без тряски и вибраций. Механизмы и детали ходовой части связывают колеса с кузовом, гасят его колебания, воспринимают и передают силы действующие на автомобиль. Находясь в салоне легкового автомобиля, водитель и пассажиры испытывают медленные колебания с большими амплитудами, и быстрые колебания с малыми амплитудами. От быстрых колебаний защищает мягкая обивка сидений, резиновые опоры двигателя, коробки передач и так далее. Защитой от медленных колебаний служат упругие элементы подвески, колеса и шины. Ходовая часть состоит из:

· передней и задней подвески колес,

· колес и шин.

·

Рисунок 1.

1.2 Подвеска колес автомобиля

Подвеска предназначена для смягчения и гашения колебаний передаваемых от неровностей дороги на кузов автомобиля. Благодаря подвеске колес кузов совершает вертикальные, продольные, угловые и поперечно-угловые колебания. Все эти колебания определяют плавность хода автомобиля. Давайте разберемся с тем, как в принципе колеса автомобиля связаны с его кузовом. Даже если вы никогда не ездили на деревенской телеге, то, глядя на нее через экран телевизора, вы можете догадаться о том, что колеса телеги жестко закреплены к ее «кузову» и все проселочные «колдобины» отзываются на седоках. В том же телевизоре (в сельском «боевике») вы могли заметить, что на большой скорости телега рассыпается и происходит это именно из-за ее «жесткости». Думаю, в городских условиях, было бы смешно и печально увидеть как «рассыпались» два соседних автомобиля, в то время как вы пытаетесь объехать детали, от уже рассыпавшихся за час до этого других машин. Дабы наш транспорт служил подольше, а «седоки» чувствовали себя получше, колеса автомобилей не жестко связаны с кузовом. К примеру, если поднять автомобиль в воздух, то колеса (задние вместе, а передние по отдельности) отвиснут и будут «болтаться», подвешенные к кузову на всяких там рычагах и пружинах. Вот это и есть подвеска колес автомобиля. Конечно, шарнирно закрепленные рычаги и пружины - «железные» и выполнены с определенным запасом прочности, но эта конструкция позволяет колесам перемещаться относительно кузова. А правильнее сказать - кузов имеет возможность перемещаться относительно колес, которые едут по дороге.

Подвеска может быть зависимой и независимой.

Рисунок 2. Схема работы зависимой подвески колес автомобиля

1.3 Зависимая подвеска (рис. 2), это когда оба колеса одной оси автомобиля связаны между собой жесткой балкой (задние колеса). При наезде на неровность дороги одного из колес, второе наклоняется на тот же угол.

Рисунок 3. Схема работы независимой подвески колес автомобиля

1.4 Независимая подвеска (рис. 3), это когда колеса одной оси автомобиля не связаны жестко друг с другом (передние колеса). При наезде на неровность дороги, одно из колес может менять свое положение, не изменяя при этом положения второго колеса.

1.5 Упругий элемент подвески (пружина или рессора) служит для смягчения ударов и колебаний, передаваемых от дороги к кузову.



Рисунок 4. Схема амортизатора 1 - верхняя проушина; 2 - защитный кожух; 3 - шток; 4 - цилиндр; 5 - поршень с клапанами сжатия и «отбоя»; 6 - нижняя проушина; 7 - ось колеса; 8 - кузов автомобиля

1.6 Гасящий элемент подвески - амортизатор (рис.4) необходим для гашения колебаний кузова за счет сопротивления, возникающего при перетекании жидкости через калиброванные отверстия из полости «А» в полость «В» и обратно (гидравлический амортизатор). Также могут применяться газовые амортизаторы, в которых сопротивление возникает при сжатии газа.

Рисунок 5. Передняя подвеска, на примере автомобиля ВАЗ 2105 1 - подшипники ступицы переднего колеса; 2 - колпак ступицы; 3 - регулировочная гайка; 4 - шайба; 5 - цапфа поворотного пальца; 6 - ступица колеса; 7 - сальник; 8 - тормозной диск; 9 - поворотный кулак; 10 - верхний рычаг подвески; 11 - корпус подшипника верхней опоры; 12 - буфер хода сжатия; 13 - ось верхнего рычага подвески; 14 - кронштейн крепления штанги стабилизатора; 15 - подушка штанги стабилизатора; 16 - штанга стабилизатора; 17 - ось нижнего рычага; 18 - подушка штанги стабилизатора; 19 - пружина подвески; 20 - обойма крепления штанги амортизатора; 21 - амортизатор; 22 - корпус подшипника нижней опоры; 23 - нижний рычаг подвески

1.7 Стабилизатор поперечной устойчивости автомобиля предназначен для повышения управляемости и уменьшения крена автомобиля на поворотах (рис.5). На повороте кузов автомобиля одним своим боком прижимается к земле, в то время как второй бок хочет уйти «в отрыв» от земли. Вот в отрыв-то, ему и не дает возможности уйти стабилизатор, который, прижавшись к земле одним концом, вторым своим концом прижимает и другую сторону автомобиля. А при наезде какого-либо колеса на препятствие, стержень стабилизатора закручивается и стремится побыстрее вернуть это колесо на свое место.

1.8 Устройство передней подвески автомобиля «Lada Priora»

Рисунок 6. 1 - шаровая опора; 2 - ступица; 3 - тормозной диск; 4 - защитный кожух; 5 - поворотный рычаг; 6 - нижняя опорная чашка; 7 - пружина подвески; 8 - защитный чехол телескопической стойки; 9 - буфер сжатия; 10 - верхняя опорная чашка; 11 - подшипник верхней опоры; 12 - верхняя опора стойки; 13 - гайка штока; 14 - шток; 15 - опора буфера сжатия; 16 - телескопическая стойка; 17 - гайка; 18 - эксцентриковый болт; 19 - поворотный кулак; 20 - вал привода переднего колеса; 21 - защитный чехол шарнира; 22 - наружный шарнир вала; 23 - нижний рычаг.

Передняя подвеска - независимая с телескопическими гидравлическими амортизаторными стойками, винтовыми цилиндрическими пружинами, нижними поперечными рычагами с растяжками и стабилизатором поперечной устойчивости

Основа подвески - телескопическая гидравлическая амортизаторная стойка 16. Ее нижняя часть соединена с поворотным кулаком 19 двумя болтами. Верхний болт 18, проходящий через отверстие кронштейна стойки, имеет эксцентриковый поясок и эксцентриковую шайбу. Поворотом этого болта регулируется развал переднего колеса.

На телескопической стойке установлены: витая цилиндрическая пружина 7, пенополиуретановый буфер хода сжатия 9, а также верхняя опора стойки 12 в сборе с подшипником 11.

Верхняя опора крепится тремя самоконтрящимися гайками к стойке брызговика кузова. За счет своей эластичности опора дает возможность стойке качаться при ходах подвески и гасит высокочастотные колебания кузова. Запрессованный в нее подшипник позволяет стойке поворачиваться вместе с управляемыми колесами.

В корпусе стойки смонтированы детали телескопического гидравлического амортизатора. При выходе его из строя в корпус стойки можно установить картридж. Обратите внимание, что корпус стойки автомобиля ВАЗ-2110 несколько короче, чем у ВАЗ-2108, поэтому использование внешне похожего картриджа от ВАЗ-2108 невозможно.

Нижняя часть поворотного кулака 19 соединена с нижним рычагом подвески 23 через шаровую опору 1. Опора закреплена двумя "глухими" болтами (отверстие в поворотном кулаке не сквозное). Отворачивая эти болты, будьте осторожны: при значительном усилии они часто ломаются, поэтому перед разборкой обстучите их головки в осевом направлении.

Тормозные и тяговые силы при движении автомобиля воспринимаются продольными растяжками, соединенными через сайлент-блоки с нижними рычагами и балкой передней подвески. В местах соединения {на обоих концах растяжки) установлены шайбы для регулирования угла продольного наклона оси поворота.

В поворотном кулаке двумя стопорными кольцами закреплен двухрядный радиально-упорный шариковый подшипник закрытого типа. Во внутренних кольцах с натягом установлена ступица колеса. Подшипник затягивают гайкой на хвостовике корпуса наружного шарнира привода колес и в эксплуатации не регулируют. Гайки крепления ступиц колес одинаковые, с правой резьбой.

1.9 Устройство задней подвески

Задняя подвеска автомобиля волга газ 31105 выполнена на продольных листовых рессорах, с двумя гидравлическими амортизаторами и стабилизатором поперечной устойчивости. Листы рессоры разного размера, собраны в пакет по пять штук (плоской стороной вверх, выпуклой -- вниз) и стянуты центровым болтом. Три верхних листа рессоры ближе к концам скреплены двумя хомутами. Между листами рессор установлены противоскрипные прокладки. Дополнительно установлен еще один хомут, стягивающий четыре листа в задней части рессоры. Для крепления рессоры к кузову автомобиля волга газ 31105 концы верхнего (коренного) листа загнуты в кольца -- проушины. Передняя проушина коренного листа рессоры с запрессованным в нее сайлентблоком крепится болтом к кронштейну заднего лонжерона. Задняя проушина крепится к лонжерону через серьгу, компенсирующую изменения расстояния между концами рессоры. Подвижность серьги обеспечивают резиновые втулки, вставленные в проушину рессоры и отверстие лонжерона. К рессорам на стремянках (по две на каждую рессору), через обоймы с резиновыми подушками, прикреплен задний мост.Подушки снижают передачу вибраций от моста на кузов автомобиля газ 31105. Стремянки также удерживают два резиновых буфера хода сжатия, которые ограничивают ход заднего моста вверх. Амортизатор -- телескопический, двухтрубный, разборный. Нижним концом корпуса (проушиной) амортизатор закреплен на пальце подкладки рессоры, а верхним (штоком) связан с усиленной площадкой днища кузова газ 31105. Соединения амортизатора с подкладкой рессоры и кузовом машины газ 31105 выполнены эластичными: внизу -- на резиновых втулках, сверху -- на резиновых подушках. Штанга стабилизатора поперечной устойчивости автомобиля газ 31105 изготовлена из пружинной стали. Штанга стабилизатора с помощью металлических скоб через резиновые подушки прикреплена к задним лонжеронам кузова автомобиля газ 31105. На концах штанга стабилизатора закреплены наконечники с запрессованными в них сайлентблоками, через которые штанга соединена с задним мостом. Для этого к кожухам полуосей приварены кронштейны.

Рисунок 7. штанга стабилизатора автомобиля волга газ 31105 с элементами крепления1 -- болт крепления штанги стабилизатора к заднему мосту; 2 -- наконечник штанги с сайлентблоком; 3 -- гайка болта; 4 -- скоба крепления подушки; 5 -- подушка штанги; 6 -- болты крепления скобы; 7 -- штанга стабилизатора поперечной устойчивости

Рисунок 8. схема задней подвески автомобиля волга газ 31105: 1 -- кронштейн заднего лонжерона; 2 -- задний лонжерон кузова газ 31105; 3 -- скоба; 4 -- подушка стабилизатора; 5 -- штанга стабилизатора поперечной устойчивости; 6 -- амортизатор; 7 -- гайка и контргайка верхнего крепления амортизатора; 8 -- стальные шайбы подушек; 9 -- резиновые подушки; 10 -- болт крепления штанги стабилизатора к заднему мосту; 11 -- резиновый буфер хода сжатия; 12 -- серьга рессоры; 13,17 -- палец серьги; 14 -- резиновые втулки; 15 -- гайка пальца; 16 -- задняя проушина коренного листа рессоры; 18 -- подкладка рессоры; 19 -- пружинная шайба; 20 -- гайка стремянки; 21 -- стремянка; 22 -- резиновая подушка; 23 -- центровой болт; 24 -- обоймы рессоры; 25 -- задний мост; 26 -- резиновые втулки; 27 -- палец подкладки рессоры; 28 -- гайка пальца; 29 -- коренной лист рессоры; 30 -- подкоренной лист рессоры; 31 -- противоскрипная прокладка; 32 -- резиновая прокладка хомута; 33 -- заклепка; 34 -- третий лист рессоры; 35 -- хомут; 36 -- пластина хомута; 37 -- противоскрипные прокладки; 38 -- гайка болта; 39 -- сайлентблок; 40 -- передняя проушина коренного листа рессоры; 41 -- болт крепления рессоры к лонжерону кузова.

2. УПРАВЛЯЕМОСТЬ

2.1 Поворот автомобиля

Управляемость автомобиля -- одно из важнейших эксплуатационных свойств, определяющих возможность его безопасного движения с большими средними скоростями, особенно на дорогах с интенсивным движением.

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

На рисунке 9.1 представлена схема 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 9.1), у которого векторы скоростей колес совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота лежит на продолжении оси задних колес, а радиус поворота (из ?ОАБ)

(1)

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

Рисунок 9.1 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 9.2 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 9.2), 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)

(2)

где д₁,д₂ -- 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 R₃ находим расстояние С (из ?ОБВ):

(3)

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

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:

(4)

где В - колея передних колес^[1].

2.2 Силы, действующие на автомобиль при повороте

Процесс движения автомобиля на повороте включает в себя три фазы (рисунок 9.3, 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 9.3, 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:

(5)

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

Рисунок 9.3. Поворот автомобиля:

а -- фазы процесса попорота; 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

(6)

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

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

(7,8)

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. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

3.1 Установка управляемых колес

На управляемость автомобиля оказывают влияние различные конструктивные и эксплуатационные факторы. К ним относятся установка и стабилизация управляемых колес, подвеска и шины, техническое состояние рулевого управления, блокировка колес при торможении, колебания управляемых колес, усилители рулевого управления, кузов автомобиля, квалификация водителя и др.

Для создания наименьшего сопротивления движению, уменьшения износа шин и снижения расхода топлива управляемые колеса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля. С этой целью управляемые колеса устанавливают на автомобиле с развалом в вертикальной и со схождением в горизонтальной плоскости.

Углом развала управляемых колес а_р называется угол (рисунок 10.1, а), заключенный между плоскостью колеса и вертикальной плоскостью, параллельной продольной оси автомобиля. Угол развала считается положительным, если колесо наклонено от автомобиля наружу, и отрицательным при наклоне колеса внутрь.

Угол развала необходим для того, чтобы обеспечить перпендикулярное расположение колес по отношению к поверхности дороги при деформации деталей моста под действием веса передней части автомобиля. Этот угол уменьшает плечо поворота -- расстояние между точкой пересечения продолжения оси поворота (шкворня) и точкой касания колеса плоскости дороги. В результате существенно уменьшается момент, необходимый для поворота управляемых колес, и, следовательно, облегчается поворот автомобиля.

При установке колеса с развалом возникает осевая сила, прижимающая ступицу с колесом к внутреннему подшипнику, раз мер которого обычно больше, чем размер наружного подшипника. Вследствие этого разгружается наружный подшипник ступицы колеса. Угол развала обеспечивается конструкцией управляемого моста путем наклона поворотной цапфы и составляет 0...2".

Рисунок 10.1. Схемы установки управляемых колес:

а -- развал; б -- схождение; О -- точка пересечения продолжения оси колеса с плоскостью дороги; А, Б -- расстояния между задними и передними частями колес

При наличии развала управляемое колесо стремится катиться в сторону от автомобиля по дуге вокруг точки О (рисунок 10.1, а) пересечения продолжения его оси с плоскостью дороги. Так как управляемые колеса связаны между собой, то их качение по расходящимся дугам сопровождалось бы боковым скольжением. Для предотвращения такого скольжения управляемые колеса устанавливают со схождением, т.е. не параллельно, а под некоторым углом к продольной оси автомобиля.

Угол схождения управляемых колес д_С (рисунок 10.1, б) определяется разностью расстояний А и Б между колесами, которые измеряют сзади и спереди по краям ободьев на высоте оси колес. Угол схождения колес у автомобилей находится в пределах 0°20'... 1°, а разность расстояний А и Б между колесами сзади и спереди составляет 2... 12 мм.

Установка управляемых колес с одновременным развалом и схождением обеспечивает их прямолинейное качение по дороге без бокового скольжения. При этом должно быть правильно подобрано соотношение между углами развала и схождения. Каждому углу развала соответствует определенный угол схождения, при котором сопротивление движению, расход топлива и износ шин будут минимальными. Обычно оптимальный угол схождения управляемых колес составляет в среднем 15...20% угла их развала. Однако в процессе эксплуатации управляемые колеса часто устанавливают со схождением несколько большим, чем требуется для компенсации их развала. Это вызвано тем, что у колес вследствие наличия зазоров и упругости рулевого привода может появиться отрицательное схождение. В результате даже при их положительном развале возрастают сопротивление движению, расход топлива и износ шин^[3].

3.2 Стабилизация управляемых колес

При движении силы, действующие на автомобиль, стремятся отклонить управляемые колеса от положения, соответствующего прямолинейному движению. Чтобы не допустить поворота управляемых колес под действием возмущающих сил (толчки от неровностей дороги, порывы ветра и др.), управляемые колеса должны обладать стабилизацией.

Стабилизацией управляемых колес называется их свойство сохранять положение, отвечающее прямолинейному движению, и автоматически возвращаться в это положение.

Чем выше стабилизация управляемых колес, тем легче управлять автомобилем, выше безопасность движения, меньше износ шин и рулевого управления.

На автомобилях стабилизация управляемых колес обеспечивается наклоном шкворня или оси поворота колес в поперечной и продольной плоскостях и упругими свойствами пневматической шины, которые создают соответственно весовой, скоростной и упругий стабилизирующие моменты.

Весовой стабилизирующий момент возникает вследствие поперечного наклона шкворня или оси поворота управляемого колеса (при бесшкворневой подвеске). Поперечный наклон оси поворота (рисунок 10.2), характеризуемый углом в_ш, при повороте колеса вызывает подъем передней части автомобиля на некоторую высоту h'. При этом масса передней части стремится возвратить колесо в положение прямолинейного движения. Создаваемый в данном случае стабилизирующий момент и является весовым.

Хотя весовой стабилизирующий момент меньше, чем стабилизирующий момент шины, он не зависит ни от скорости движения, ни от сцепления колеса с дорогой. У автомобилей угол поперечного наклона шкворня (оси поворота) управляемого колеса в_ш = 5... 10°. При увеличении угла в_ш повышается стабилизация управляемых колес, но затрудняется работа водителя^[2].

Весовой стабилизирующий момент приближенно можно рассчитать по следующей формуле:

(9)

где G_к -- нагрузка на колесо; l_ц -- длина поворотной цапфы; и -- угол поворота колеса.

Рисунок 10.2 Поперечный наклон оси поворота управляемого колеса

Скоростной стабилизирующий момент создается в результате продольного наклона шкворня. Продольный наклон оси поворота (рисунок 10.3), определяемый углом г_ш, создает плечо а действия реакций дороги, возникающих при повороте колеса между шиной и дорогой в месте их касания. Эти реакции помогают возврату колеса в положение, соответствующее прямолинейному движению. Создаваемый в этом случае стабилизирующий момент и является скоростным.

Обычно боковые реакции дороги на колесах возникают вследствие действия на автомобиль центробежной силы, которая пропорциональна квадрату скорости движения на повороте. Поэтому скоростной стабилизирующий момент изменяется пропорционально квадрату скорости движения.

Рисунок 10.3 Продольный наклон оси поворота управляемого колеса

У автомобилей угол продольного наклона оси поворота управляемых колес у_ш = 0...3,5°. При увеличении угла у_ш повышается стабилизация управляемых колес, но усложняется работа водителя.

Скоростной стабилизирующий момент

(10)

где а -- плечо действия реакции дороги R_y, r_к -- радиус колеса; г_ш -- угол продольного наклона шкворня.

Упругий стабилизирующий момент шины создается при повороте управляемого колеса вследствие смещения результирующей боковых сил, действующих в месте контакта шины с дорогой, относительно центра контактной площадки (рисунок 10.4).

Упругий стабилизирующий момент, создаваемый шиной:

 (11)

где Р_б -- результирующая боковых сил; b -- плечо действия силы Р_б.

Рисунок 10.4 Схема возникновения упругого стабилизирующего момента шины

Стабилизирующий момент шины достигает значительной величины у легковых автомобилей, которые имеют высокоэластичные шины и движутся с большой скоростью. Он может составлять 200...250Н·м при углах увода колес 4...5°. Поэтому при очень эластичных шинах угол продольного наклона шкворня делают равным нулю, чтобы не усложнять управление автомобилем. Однако при небольшой скорости движения стабилизирующий момент шины не обеспечивает надежной стабилизации управляемых колес. Кроме того, упругий стабилизирующий момент шины резко уменьшается на дорогах с небольшим коэффициентом сцепления (скользких, обледенелых).

Стабилизация управляемых колес неразрывно связана с установкой управляемых колес автомобиля^[1].

3.3 Колебания управляемых колес

В процессе движения управляемые колеса автомобиля могут совершать колебания вокруг шкворней (осей поворота) в горизонтальной плоскости. Такие колебания вызывают износ шин и рулевого привода, повышают сопротивление движению и увеличивают расход топлива. Они могут привести к потере управляемости автомобиля и снижению безопасности движения. Причинами, вызывающими эти колебания, являются гироскопическая связь управляемых колес, их неуравновешенность (дисбаланс) и двойная связь колес с несущей системой (рама, кузов) через рулевой привод и подвеску.

Рисунок 10.5 Схема возникновения самовозбуждающихся колебаний (автоколебаний) управляемых колес при зависимой подвеске

При наездах одного из колес на дорожные неровности при зависимой их подвеске (рисунок 10.5) происходит перекос переднего моста. Управляемые колеса наклоняются, и изменяется положение их оси вращения. Это приводит к возникновению гироскопического момента м_rx, который действует в горизонтальной плоскости и поворачивает управляемые колеса вокруг шкворней^[3].

Поворот колес вокруг шкворней вызывает возникновение другого гироскопического момента м_rz, который действует в вертикальной плоскости и стремится увеличить перекос моста и наклон колес.

Таким образом, перекос моста обусловливает колебания управляемых колес вокруг шкворней, а они, в свою очередь, увеличивают перекос моста, т.е. обе колебательные системы связаны между собой и влияют друг на друга.

Возникающие в этом случае колебания управляемых колес вокруг шкворней непрерывно повторяются (самовозбуждаются), являются устойчивыми и наиболее опасными.

При вращении неуравновешенного колеса (рисунок 10.6) возникает центробежная сила р_ц. Ее вертикальная составляющая Р_z стремится переместить колесо в вертикальном направлении и наклонить его, что вызывает появление гироскопического момента м_х. Горизонтальная составляющая р_х центробежной силы стремится повернуть колесо вокруг шкворня. Колебания управляемых колес становятся особенно значительными, когда не уравновешены оба колеса и неуравновешенные части располагаются с разных сторон осей вращения, так как в этом случае поворачивающие моменты м_х складываются. Колебания также возрастают при увеличении скорости движения автомобиля в связи с тем, что значения составляющих р_z и р_х центробежной силы р_ц во многом зависят от скорости^[1].

Рисунок 10.6. Дисбаланс управляемых колес:

а -- силы, действующие на неуравновешенные колеса; б -- схема возникновения поворачивающего момента

Управляемые колеса автомобиля имеют двойную связь с его несущей системой, которая осуществляется через подвеску и рулевой привод.

При вертикальных перемещениях колеса (рисунок 10.7) шарнир А, соединяющий продольную рулевую тягу с рычагом поворотного кулака, должен перемещаться по дуге бб с центром в точке О₁, что обусловлено кинематикой рулевого привода.

Рисунок 10.7. Связь управляемых колес с несущей системой автомобиля: А -- шарнир; О,О₁ -- центры колебаний; аа, бб -- траектории перемещения шарнира

Кроме того, шарнир А также должен перемещаться по дуге аа с центром в точке О, что связано с особенностями кинематики подвески. Однако дуги аа и бб расходятся, поэтому вертикальные перемещения управляемых колес сопровождаются их поворотом вокруг шкворней.

Колебания управляемых колес вокруг шкворней совершаются с высокой и низкой частотой. Колебания высокой частоты, превышающей 10Гц, с амплитудой не более 1,5...2° происходят в пределах упругости шин и рулевого привода. Эти колебания не передаются водителю и не приводят к нарушению управляемости автомобиля, так как поглощаются в рулевом управлении. Однако высокочастотные колебания вызывают дополнительный износ шин и деталей рулевого привода, повышают сопротивление движению автомобиля и увеличивают расход топлива. Колебания низкой частоты (менее 1Гц) с амплитудой 2...3" нарушают управляемость автомобиля и безопасность движения. Для их устранения необходимо снизить скорость автомобиля. Полностью устранить колебания управляемых колес вокруг шкворней невозможно -- их можно только уменьшить. Это обеспечивается применением независимой подвески управляемых колес, что ослабляет гироскопическую связь между ними, применением балансировки колес, благодаря чему устраняется их неуравновешенность, уменьшением влияния двойной связи колес с несущей системой, что достигается принятием различных конструктивных мер^[4].

3.4 Увод колес автомобиля

Уводом колеса называется его свойство катиться под углом к плоскости своего вращения вследствие действия боковой силы.

Эластичное колесо (рисунок 10.8) при отсутствии боковой силы катится в плоскости своего вращения, а при действии боковой силы -- под некоторым углом.

Угол д_ув, образованный вектором скорости v_K колеса и плоскостью его качения, называется углом увода.

На рисунке 10.9 показана зависимость угла увода колеса от приложенной к нему поперечной силы. Кривая ОАБВ включает в себя следующие характерные участки: OA -- увод колеса при отсутствии бокового скольжения шины (д_ув= 4...6°); АБ -- увод с частичным боковым проскальзыванием шины; БВ-- полное скольжение шины вбок при P_y = P_сц (д_ув = 12…15°).

Рисунок 10.8. Качение эластичного колеса при отсутствии (а) и действии (б) боковой силы: А--В, А₁--В₁, А₂--В₂ --характерные точки колеса

Рисунок 10.9 Зависимость угла увода колеса от поперечной силы: А--В характерные точки кривой

Рисунок 10.10 Зависимости коэффициента сопротивления уводу колеса от вертикальной нагрузки на него и давления воздуха в шине: р_в1 - р_в3 -- значения давления воздуха в шине

Угол увода колеса можно определить по формуле

(12)

где k_ув -- коэффициент сопротивления уводу колеса.

Коэффициент сопротивления уводу колеса зависит от размеров и конструкции шины, давления воздуха в ней и вертикальной нагрузки на колесо. Так, при увеличении размеров шины и давления воздуха в ней коэффициент сопротивления уводу возрастает. При увеличении вертикальной нагрузки на колесо он сначала растет, а затем уменьшается (рисунок 2.10). Для шин грузовых автомобилей и автобусов значения этого коэффициента составляют 30...100кН/рад, а для шин легковых автомобилей 15...40кН/рад. От значения коэффициента сопротивления уводу во многом зависит боковое скольжение колеса. Чем меньше этот коэффициент, тем раньше начинается боковое скольжение^[1].

3.5 Подвеска и шины

У легковых автомобилей ухудшение управляемости при эксплуатации может быт_ь вызвано остаточной деформацией пружин передней независимой подвески. В результате осадки пружин рычаги подвески при перемещениях изменяют углы развала колес и поперечного наклона шкворней, нарушая при этом установку и стабилизацию управляемых колес. К тому же при осадке одной из пружин подвески указанные углы изменяются только с одной стороны автомобиля. Вследствие этого стабилизирующие моменты на управляемых колесах не будут уравновешиваться при прямолинейном движении и автомобиль начнет уводить в сторону. При уменьшении Давления воздуха в одной из шин колес автомобиля увеличивается ее сопротивление качению и снижается боковая жесткость шины, в связи с этим автомобиль при движении постоянно отклоняется в сторону шины с уменьшенным давлением воздуха^[1].

3.6 Блокировка колес при торможении

При торможении автомобиля одновременная блокировка (доведение до юза) передних и задних колес может произойти только на дорогах с определенным оптимальным коэффициентом сцепления ц_опт = 0,4...0,45. На дорогах с другими значениями коэффициента сцепления происходит блокировка сначала либо передних, либо задних колес. Так, при торможении на дорогах с коэффициентом сцепления меньше оптимального (ц_х < ц_опт) у автомобиля первыми блокируются передние управляемые колеса. Это может привести к потере управляемости автомобиля. При торможении на дорогах с коэффициентом сцепления больше оптимального (ц_х > ц_опт) у автомобиля первыми доводятся до юза задние ведущие колеса, что может привести к заносу^[1].

3.7 Кузов автомобиля

Форма кузова легковых автомобилей оказывает существенное влияние на их управляемость, так как она определяет метацентр автомобиля -- точку приложения боковой аэродинамической силы Р_б (силы ветра). У автомобилей метацентр обычно не совпадает с их центром тяжести. Так, у одних автомобилей метацентр расположен перед центром тяжести, а у других -- за ним.

Если метацентр находится перед центром тяжести автомобиля, то при действии бокового ветра двигавшийся прямолинейно автомобиль начнет поворачиваться в направлении действия силы ветра. Это вызовет появление центробежной силы р_ц (рисунок 10.11), под влиянием которой увеличится склонность автомобиля к повороту.

Рис. 10.11. Влияние формы кузова на управляемость автомобиля:

а -- расположение метацентра автомобиля; б -- схема сил, действующих при боковом ветре; МЦ -- метацентр; ЦТ -- центр тяжести

Если метацентр находится за центром тяжести автомобиля, то при действии бокового ветра Р_б' автомобиль будет стремиться повернуть против ветра. Возникающая при этом центробежная сила Р'_ц будет способствовать уменьшению поворота автомобиля.

Таким образом, для обеспечения лучшей управляемости автомобиля при действии бокового ветра необходимо, чтобы метацентр располагался за центром тяжести автомобиля.

Это может быть достигнуто соответствующей формой кузова автомобиля, например с пониженным капотом двигателя, высокими задними крыльями и др^[1].

4. МАНЕВРЕННОСТЬ

4.1 Параметры маневра

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^[3].

Основными параметрами маневра автомобиля (рисунок 11.1) являются минимальный радиус поворота R_min, внутренний R_B и наружный R_н габаритные радиусы поворота, минимальный радиус поворота внутреннего заднего колеса R_вк, поворотная ширина b_к 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 11.1. Показатели маневренности автомобиля:

О -- центр поворота

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

(13)

где L -- база автомобиля; и_mах -- максимальный угол поворота наружного колеса (рисунок 11.2, 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

(14)

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:

(15)

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^[1].

Рисунок 11.2 Схемы автомобилей с передними (а) и всеми (б) управляемыми колесами: О -- центр поворота

5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Данный раздел содержит в себе расчеты показателей управляемости и маневренности автомобиля ВАЗ-21093. Для выполнения расчетов мне потребовались некоторые технические характеристики автомобиля Ваз-2109, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Колесная база автомобиля (L)	2460мм
Передняя колея (В)	1400мм
Максимальный угол поворота передних колес (и)	42°

Ниже будут рассчитаны следующие характеристики:

· Радиус поворота с эластичными колесами (R_э)

· Расстояние между центром оси задних колес и проекцией центра поворота на продольную ось автомобиля (С)

· Радиус поворота автомобиля по колее переднего наружного колеса (R_ПК)

· Минимальный радиус поворота (R_min)

Радиус поворота вычисляется, с расчетом, что в реальных условиях на автомобиле установлены эластичные колеса, то есть используем формулу (2):

Угол увода при отсутствии бокового скольжения, то есть в условиях повседневной эксплуатации составляет от 4° до 6°.Так как углы увода на передних и задних колесах различны, причем, так как автомобиль переднеприводный, угол увода передних колес меньше, чем задних, значит принимаем д₁= 4°, д₂=6°. Отсюда получаем:

Расстояние между центром оси задних колес и проекцией центра поворота на продольную ось автомобиля рассчитывается по формуле (3):

Радиус поворота автомобиля по колее переднего наружного колеса можно вычислить по формуле (4)

6. Основные неисправности в подвеске и их устранение

Причина поломки	Устранение или предотвращение
Шум и стук в подвеске при движении автомобиля
Неисправность амортизаторов	Отремонтировать амортизаторы
Ослабление затяжки болтов, крепящих штангу стабилизатора поперечной устойчивости на лонжеронах кузова или на нижних рычагах подвески	Проверить состояние резиновых подушек, затем подтянуть болты и гайки крепления штанги, при износе резиновых подушек заменить их
Износ резино-металлических шарниров рычагов подвески	Снять и заменить шарниры
Ослабление крепления амортизаторов или износ резиновых втулок проушин амортизаторов	Затянуть болты и гайки крепления амортизаторов, заменить резино-металлические втулки в проушине амортизатора
Износ деталей шаровых опор подвески	Заменить шаровые опоры в комплекте
Износ или повышенный зазор в подшипниках колес	Снять колесо, ступицу с тормозным диском, проверить техническое состояние подшипников, при необходимости заменить их и отрегулировать зазор
Деформация кронштейна буфера хода сжатия и стойки передней части кузова	Выправить кронштейн истойку
Деформация полки усилителя верхнего рычага подвески	Заменить рычаг
Полный износ резиновых втулок верхних или нижних рычагов	Изношенные втулки заменить
Вмятины и трещины на кромках, прорезы корпуса шаровой опоры от ударов пальца
Увеличенный динамический ход рычагов подвески вследствие деформации кронштейна буфера сжатия	Отремонтировать кронштейн и стойку
Вертикальные колебания передних колёс (жёсткие удары)
Большой дисбаланс колёс	Проверить и отбалансировать колёса
Осадка пружин подвески	Заменить пружины новыми
Не работают амортизаторы	Отремонтировать или заменить амортизаторы
Не работает стабилизатор поперечной устойчивости	Проверить состояние резиновых подушек стабилизатора, при износе заменить; затянуть болты и гайки крепления штанги
Увеличенный зазор в верхней шаровой опоре. Растрескивание корпуса нижней шаровой опоры
Повышенный износ трущихся деталей шаровой опоры в результате её загрязнения из-за негерметичности или повреждения пыльника	Заменить шаровую опору и защитный чехол (пыльник)
Боковой крен ненагруженного автомобиля (разность высоты фар более 25 мм)
Осадка или поломка пружины (рессоры). Оседание резиновой втулки сайленблока или деформация нижнего рычага	Выявить дефектную деталь и заменить новой
Проседание передней части автомобиля
Поломаны листы торсионов или пружины передней подвески	Заменить поломанные детали

7. Система управления подвеской автомобиля

Данная система основана на автоматическом управлении подвеской автомобиля посредством пневматических цилиндров в зависимости от угла крена машины и состояния дорожного покрытия.

7.1 Пневматическая подвеска имеет следующее общее устройство:

· пневматические упругие элементы на каждое колесо;

· модуль подачи воздуха;

· ресивер;

· регулируемые амортизаторы (в адаптивной подвеске);

· система управления.

Пневматический упругий элемент выполняет основную функцию подвески - поддержание определенного уровня кузова автомобиля. Это достигается путем изменения давления и соответствующего ему объема воздуха в упругих элементах.

Рисунок 12. Схема пневматического упругого элемента

Пневматический упругий элемент состоит из корпуса с направляющей, манжеты и поршня. Конструктивно пневматический упругий элемент может изготавливаться со встроенным амортизатором или устанавливаться отдельно. Упругий элемент, объединенный с амортизатором, имеет название пневматическая стойка (по аналогии с амортизаторной стойкой подвески МакФерсон).

Манжета пневматического упругого элемента изготавливается из прочного многослойного эластомера. В некоторых конструкциях упругих элементов применяется дополнительные пневмоаккумуляторы. Для поддержания давления при утечке воздуха в упругом элементе может устанавливаться клапан остаточного давления.

Модуль подачи воздуха служит для питания упругих элементов воздухом. Он включает:

· электродвигатель;

· компрессор;

· осушитель воздуха.

Конструктивно в модуль включен блок электромагнитных клапанов системы управления подвеской.

Ресивер представляет собой резервуар для воздуха и обеспечивает регулирование дорожного просвета при движении на небольшой скорости без включения компрессора, а также корректировку положения кузова на стоянке.

Конструкция элементов адаптивной подвески рассмотрена в отдельной статье.

Регулирование уровня кузова относительно дороги осуществляется с помощью электронной системы управления, которая включает входные датчики, блок управления и исполнительные устройства.

К входным датчикам относятся:

· клавиша управления;

· датчики уровня кузова;

· датчик температуры компрессора;

· датчик давления в системе.

С помощью клавиши осуществляется ручное регулирование уровня кузова. Датчики обеспечивают автоматическое регулирование пневмоподвески.

Блок управления преобразует электрические сигналы входных датчиков в управляющие воздействия на исполнительные устройства. В своей работе блок управления взаимодействует с блоками системы управления двигателем, системы курсовой устойчивости.