Уравновешенное действие сил

Изменение направления движения любого тела можно достичь только приложением к нему внешних сил. При движении транспортного средства на него действует множество сил, при этом шины выполняют важные функции: каждое изменение направления или скорости движения транспортного средства вызывает появление в шине действующих сил.

Шина – это элемент связи между транспортным средством и проезжей частью. Именно в месте контакта шины с дорогой решается главный вопрос безопасности движения транспортного средства. Через шину передаются все силы и моменты, возникающие при разгоне и торможении автомобиля, при изменении направления его движения. Шина воспринимает действия боковых сил, удерживая автомобиль на выбранной водителем траектории движения. Поэтому физические условия сцепления шины с поверхностью дороги определяют границы динамических нагрузок, действующих на транспортное средство.

poyasneniya-rp008 -01bis

Рис. 1.01: Посадка бескамерной шины на ободе; Источник: Bosch

1. Обод; 2. Подкат (Хамп) на поверхности посадки борта шины; 3. Борт обода; 4. Каркас шины; 5. воздухонепроницаемый внутренний слой; 6. Брекерный пояс; 7. Протектор; 8. Боковина шины; 9. Борт шины; 10. Сердечник борта; 11. Вентиль

 

 

Решающие критерии оценки:

•             Обеспечение устойчивого прямолинейного движения при действии на автомобиль боковых сил

•             Обеспечение устойчивого движения на поворотах

•             Обеспечение сцепления на различных поверхностях проезжей части

•             Обеспечение сцепления с дорогой при различных погодных условиях

•             Обеспечение хорошей управляемости автомобиля

•             Обеспечение комфортных условий движения (гашение колебаний, обеспечение плавности хода, минимальная шумность качения)

•             Прочность, износостойкость, высокий срок службы

•             Невысокая цена

•             Минимальный риск повреждения шины при её пробуксовке

 

Проскальзывание шины

 

Проскальзывание шины или её буксование происходит из разницы между теоретической скоростью движения, обусловленной вращением колеса, и действительной скоростью движения, обеспечиваемой силами сцепления колеса с дорогой.

 

poyasneniya-rp008 -02bis

Рис.1.02: Пример движения шины без проскальзывания (а) и с проскальзыванием (b); Источник: Bosch

Посредством приведенного примера можно пояснить это утверждение: пусть длина окружности по внешней беговой поверхности шины легкового автомобиля составляет около 1,5 м.

Если при движении автомобиля колесо поворачивается вокруг оси вращения 10 раз, то пройденный автомобилем путь должен составить 15 м.

Если же происходит проскальзывание шины, то пройденный автомобилем путь становится короче

 

Закон инерции

Каждое физическое тело стремится либо сохранять состояние покоя, либо сохранять состояние прямолинейного движения.

Чтобы вывести физическое тело из состояния покоя или отклонить его от прямолинейного движения к телу должна быть приложена внешняя сила. Изменение скорости движения, как во время разгона автомобиля, так и при торможении потребует соответствующего приложения внешних сил.

Если водитель пытается тормозить на повороте на покрытой льдом поверхности дороги, автомобиль будет стремиться двигаться прямо без явно выраженного стремления изменить скорость движения, при этом реакция на поворот рулевого колеса будет слишком вялой. На обледенелой поверхности через колеса автомобиля может передаваться только маленькие силы торможения и боковые усилия, поэтому вождение автомобиля на скользкой дороге является непростой задачей.

Моменты сил

При вращательном движении на тело действуют или оказывают влияние моменты сил. В режиме движения колеса вращаются вокруг своих осей, преодолевая моменты инерции покоя.

Момент инерции колес возрастает с увеличением скорости его вращения и вместе с тем, скоростью движения автомобиля.

Если транспортное средство находится одной стороной на скользкой проезжей части (например, обледенелой поверхности дороги), а другая сторона на дороге с нормальным коэффициентом сцепления (неоднородный коэффициент сцепления μ), то при торможении автомобиль получает вращательное движение вокруг вертикальной оси. Это вращательное движение называют моментом рысканья

poyasneniya-rp008 -03bis

Рис. 1.3: Возникновение момента рысканья при торможении или разгоне на участке дороги с различным коэффициентом продольного сцепления μHF; Источник: Bosch

poyasneniya-rp008 -04bis

Рис. 1.4: Горизонтальная проекция угла бокового увода α и влияние бокового усилия Fs; Источник: Bosch

vn = Скорость в направлении бокового увода

vx = Скорость в продольном направлении

Fs, Fy = Боковые усилия

α = Угол бокового увода

 

Распределение сил

Наряду с весом тела (силой тяжести) на автомобиль действуют различные внешние силы, величина и направление которых зависит от режима и направления движения транспортного средства.

При этом речь идет о следующих параметрах:

  • Силах, действующих в продольном направлении, (например, силе тяги, силе сопротивления воздуха или силе трения качения)
  • Силах, действующих в поперечном направлении, (например, усилие, прилагаемое к управляемым колесам автомобиля, центробежной силе при движении на повороте, или силе действия бокового ветре или силе, возникающей при движении на косогоре).

Эти силы принято обозначать, как силы бокового увода автомобиля.

Силы, действующие в продольном или поперечном направлении, передаются на шины, и через них на проезжую часть дороги в вертикальном или горизонтальном направлении, вызывая деформацию шины в продольном или поперечном направлении.

Это силы передаются на корпус автомобиля через:

  • шасси автомобиля (так называемые ветровые силы)
  • органы управления (рулевая сила)
  • двигатель и агрегаты трансмиссии (движущая сила)
  • тормозные механизмы (тормозные силы)

В противоположном направлении эти силы действуют со стороны дорожной поверхности на шины, передаваясь затем на транспортное средство.

Это связано с тем, что: любая сила вызывает противодействие.

poyasneniya-rp008 -05bis 

Рис. 1.05: Скорость колеса vx в продольном направлении, тормозная сила FB и тормозной момент MB; Источник: Bosch

vx = Скорость колеса в продольном направлении

FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры)

FB = Тормозная сила

MB = Тормозной момент

 

Для обеспечения движения тяговая сила, передаваемая на колесо посредством крутящего момента, создаваемого двигателем, должна превосходить все внешние силы сопротивления (продольные и поперечные силы), которые возникают, например, при движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном.

Для оценки динамики движения, а также устойчивости движения транспортного средства должны быть известны силы, действующие между шиной и дорожным полотном в так называемом пятне контакта шины с дорогой. Внешние силы, действующие в площадке соприкосновения шины с дорогой, передаются через колесо на транспортное средство.

С увеличением практики вождения водитель все лучше и лучше учится реагировать на эти силы. По мере приобретения опыта вождения, у водителя все отчетливее возникают ощущения сил действующих в пятне контакта шины с дорогой. Величина и направление внешних сил зависит от интенсивности разгона и торможения автомобиля, при действии боковых сил от ветра, или при движении по дороге с поперечным уклоном. Особняком стоит опыт вождения по скользким дорогам, когда чрезмерное воздействие на органы управления могут сорвать шины автомобиля в скольжение. Но самое главное это то, что водитель обучается правильным и дозированным действиям органами управления, которые препятствуют возникновению неуправляемого движения.

Неумелые действия водителя при высокой мощности двигателя особенно опасны, так как силы, действующие в пятне контакта, могут превысить допустимый предел по сцеплению, что может вызвать занос автомобиля или полную потерю управляемости, и повышает износ шин.

 

Силы в пятне контакта шины с дорогой

Только строго дозированные силы в пятне контакта колеса с дорогой способны обеспечить соответствующие желанию водителя скорость и изменение направления движения.

Суммарная сила в пятне контакта шины с дорогой складывается из следующих составляющих её сил:

Касательная сила, направленная по окружности шины

Касательная сила Fμ возникает в результате передачи крутящего момента приводным механизмом или при торможении автомобиля. Она действует в продольном направлении на поверхность дороги (продольная сила) и дает возможность водителю произвести разгон при воздействии на педаль газа или обеспечить замедление движения при его воздействии на педаль тормоза.

Вертикальная сила (нормальная реакция опоры)

Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги обозначается как радиально направленная сила, или как нормальная реакция опоры FN. Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги присутствует всегда, как при движении транспортного средства, так и при его неподвижности. Вертикальная сила, действующая на опорную поверхность, определяется частью веса автомобиля, приходящегося на это колесо, плюс дополнительная вертикальная сила, возникающая в результате перераспределения веса при разгоне, торможении или движении в повороте. Вертикальная сила увеличивается или уменьшается при движении автомобиля на подъем или под уклон, при этом увеличение или уменьшение вертикальной силы зависит от направления движения автомобиля.

Нормальная реакция опоры определяется при неподвижном положении транспортного средства, установленного на горизонтальной поверхности.

Дополнительные силы могут увеличить или уменьшить значение вертикальной силы между колесом и поверхностью дороги (нормальной реакции опоры). Так при движении не повороте дополнительная сила уменьшает вертикальную составляющую на внутренних к центру поворота колесах и увеличивает вертикальную составляющую на колесах внешней стороны транспортного средства.

Площадка контакта шины с поверхностью дороги деформируется прилагаемой к колесу вертикальной силой. Так как боковины шины подвергаются соответствующей деформации, вертикальная сила не может распределяться равномерно по всей площади пятна контакта, а возникает трапециевидное распределение давления шины на опорную поверхность. Боковины шины принимают на себя внешние силы, и шина деформируется в зависимости от величины и направления внешней нагрузки.

poyasneniya-rp008 -06bis

Рис. 1.06: Статистическое распределение коэффициента сцепления в пятне контакта заблокированного колеса при различных скоростях движения на влажном дорожном полотне; Источник: Bosch

 

Боковая сила

Боковые силы оказывают действие на колесо, например, при действии бокового ветра, или при движении автомобиля на повороте. Управляемые колеса движущегося автомобиля при их отклонении от прямолинейного положения также подвергаются действию боковой силы.

Боковые силы вызывает измерение направления движения транспортного средства.

 

Тормозной момент

При торможении фрикционные накладки тормозной колодки прижимаются к поверхности тормозного диска или тормозного барабана. При этом возникают силы трения, величина которых зависит от силы нажатия водителем на тормозную педаль.

Произведение силы трения на плечо приложения этой силы в итоге дают тормозной момент MB.

Эффективный момент, возникающий в процессе торможения, действует в пятне контакта колеса с дорогой.

 

Сила трения и коэффициент сцепления

Тормозная сила FB возникает между шиной и поверхностью дороги в результате приложения к колесу тормозного момента.

Величину приложенной к поверхности дороги тормозной силы, обозначают как силу трения FR.

Сила трения FR зависит от вертикальной силы FN и выражается следующим соотношением:

 

FR = μHF*FN

 

Фактор μHF называется коэффициентом сцепления шины с поверхностью дороги или, для лучшего восприятия, коэффициентом силы трения.

Он характеризует свойства различных соприкасающихся поверхностей, и, в нашем случае, зависит от состояния покрытия проезжей части дороги и особенностей конструкции шины.

Коэффициент сцепления является мерой прилагаемой к поверхности дороги тормозной силы

Он зависит:

  • от состояния проезжей части
  • от состояния шин
  • от скорости движения
  • от погодных условий

poyasneniya-rp008 -07bis

Рис. 1.7: Деформация шины, вызванная радиальной силой FN, направленная перпендикулярно к плоскости обода, в сочетании с боковой силой Fs, приложенной в поперечном к шине направлении (вид спереди); Источник: Bosch

FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры)

Fs = Боковая сила

 

От величины коэффициента сцепления зависит, какой тормозной момент может быть приложен в данных дорожных условиях и режиме движения.

Для автомобильной шины максимальное значение коэффициента сцепления достигается при движении по сухой и чистой проезжей части, а самое низкое значение – на подтаявшем льду.

Наличие влаги или грязи на поверхности дороги снижает коэффициент сцепления.

Кроме того, на влажной поверхности дороги коэффициент сцепления сильно зависит от скорости движения транспортного средства.

Чрезмерное усилие, прилагаемое к тормозной педали при высокой скорости движения и соответствующих дорожных условиях, может привести к блокировке колес, если сила трения между шиной и проезжей части, обусловленная коэффициентом сцепления, окажется меньше тормозной силы. Если колесо автомобиля заблокировано, то оно оказывается не способным передавать никакие боковые силы, поэтому транспортное средство становится неуправляемым.

 

Аквапланирование

Величина силы трения приближается к нулю, если образуется дождевая пленка на поверхности дороги, так как быстро движущееся транспортное средство «всплывает»:

Если дело доходит до аквапланирования, то контакт колеса с поверхностью дороги исчезает.

В основе эффекта аквапланирования лежит предположение, что при высокой скорости движения опорная поверхность шины в точке набегания на образовавшийся водяной клин, деформируется, и отрывается от поверхности дороги.

poyasneniya-rp008 -08bis

 

 

Рис. 1.8: Механизм возникновения аквапланирования

1. – Водяная пленка; 2. Дорожное полотно; 3. – Площадка полного контакта колеса с дорогой; 4. – Водяной клин; 5. – Уменьшение площадки контакта колеса с дорогой; 6. – Полное отсутствие контакта.

 

Аквапланирование зависит от

  • толщины водяной пленки на проезжей части
  • скорости движения транспортного средства
  • ширины шины и рисунка протектора, а также степени износа шины,
  • Величины вертикальной нагрузки, то есть той силы, которая прижимает шину к дорожной поверхности.

 

Широкопрофильные шины в большей мере подвержены аквапланированию.

При возникновении аквапланирования водитель утрачивает возможность управления транспортным средством, вдобавок к этому исчезает возможность торможения. Ни руление, ни торможение становится невозможным, так как ни продольные, ни боковые силы не могут передаваться от колеса к проезжей части.

 

Поперечная сила и боковое усилие

Если к свободно катящемуся колесу приложить боковую силу, то движение колеса будет сопровождаться боковым уводом (колесо будет отклоняться от намеченной траектории движения вбок).

Отношение между скоростью бокового перемещения колеса и скоростью его продольного перемещения называется «поперечным проскальзыванием» или «боковым уводом» колеса.

poyasneniya-rp008 -09bis

Рис. 1.9: Недостаточная и избыточная поворачиваемость автомобиля; Источник: Bosch

a – недостаточная поворачиваемость;

b – избыточная поворачиваемость;

αv – угол бокового увода переднего колеса;

αh – угол бокового увода заднего колеса;

β – угол поворота управляемого колеса;

γ – угол бокового увода транспортного средства;

FS – боковая сила;

MG – момент рысканья.

 

Угол между вектором равнодействующей скоростью движения vα и составляющей скоростью в продольном направлении vx обозначается, как «угол бокового увода колеса» α

Углом бокового увода γ транспортного средства называют угол между действительным направлением движения транспортного средства и его продольной осью

Угол бокового увода транспортного средства при высоком значении поперечного ускорения является мерой оценки управляемости транспортных средств.

При движении с неизменной скоростью по дороге с постоянным поперечным уклоном действующая боковая сила FS, прилагаемая к оси вращения колеса, должна быть уравновешена реакцией шины, возникающей вследствие деформации контурной контактной площадки, и соответствующем отклонением вектора тяги, вызванного деформацией этой площадки.

 

Отношение между действующей на ось вращения колеса боковой силой FS и вертикальной силой, приложенной к колесу FN, называется «коэффициентом боковой эластичности» μS, или «коэффициентом бокового увода колеса».

 

Между углом бокового увода α и коэффициентом бокового увода μS существует зависимость, которая описывается графиком зависимости бокового увода колеса от прилагаемой боковой силы.

 

poyasneniya-rp008 -10bis

Рис. 1 10: График зависимости бокового увода колеса от прилагаемой боковой силы: Источник: Й. Раймпель

 

В отличие от коэффициента сцепления μHS коэффициент бокового увода μS, возникающий при разгоне и торможении автомобиля, сильно зависит от вертикальной силы FN, приложенной к этому колесу.

Эта зависимость при компоновке шасси представляет для конструкторов транспортных средств особый интерес, так как необходимо подобрать стабилизаторы поперечной устойчивости оптимальной жесткости, чтобы обеспечить положительное влияние на ходовые качества автомобиля.

 

poyasneniya-rp008 -11bis

Рис. 1.11: Приложение боковой силы FS, например – центробежная сила, возникающая при движении на повороте с высокой скоростью, вызывает изменение значений продольного и поперечного угла наклона шкворневой оси и смещение пятна контакта шины с опорной поверхностью

 

При больших боковых усилиях FS контурная площадка контакта шины с дорогой (опорная поверхность) получает значительное смещение в сторону колесного обода. Условия приложения бокового усилия вследствие этого изменяются. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на управляемость транспортного средства, так как происходит чередование неустановившихся режимов движения (от изначального состояния движения к последующему), возникающих при маневрировании.

 

Влияние скольжения при торможении на боковые усилия

При движении на повороте приложенная к центру тяжести центробежная сила уравновешивается боковыми усилиями, прилагаемыми к каждому колесу транспортного средства. Боковые силы для обеспечения следования транспортного средства по выбранной траектории поворота не должны превышать силу бокового сцепления колеса с дорогой.

Боковые усилия, приложенные к шинам, могут возникать только вследствие их упругой деформации, но эта деформация вызывает боковой увод шины, то есть вектор действительной скорости v движения колеса отклоняется на некоторый угол бокового увода α от плоскости вращения колеса.

При торможении с нулевым скольжением колеса относительно дорожного полотна коэффициент бокового увода обретает максимальную величину.

poyasneniya-rp008 -12bis

Рис. 1.12: Возникновение бокового увода α и смещения bш середины пятна контакта в результате приложения боковой силы FS

 Если к оси автомобильного колеса приложить боковую силу FS, то возникает боковой увод колеса из-за деформации элементов протектора шины, причем, чем глубже протектор, тем сильнее увод колеса.

poyasneniya-rp008 -13bis

 

Рис. 1.13: Возникновение увода, вызванного упругой деформацией эластичных элементов протектора шины

 

С другой стороны, боковой увод колеса α (см. рис. 1.12) вызывается деформацией самой пневматической шины, причем, величина деформации зависит от серийности шины и давления сжатого воздуха в ней. При удачном выборе шины и давления в ней два противоположно направленных увода колеса компенсируются.

Если при торможении проскальзывание колеса относительно дорожного полотна возрастает, то коэффициент бокового увода снижается, вначале медленно, а затем происходит довольно быстрое его снижение и при блокировке колеса достигает самого низкого значения.

Минимальная величина коэффициента бокового увода получается в результате приближения вектора бокового увода колеса к продольной плоскости симметрии шины, которая совпадет с продольной плоскостью вращения колеса при его блокировке. А так как боковой увод постепенно исчезает, пропорционально снижается боковая сила, удерживающая автомобиль на выбран-ной траектории движения.

 

Трение – скольжение шины – вертикальная сила (нормаль)

Сила трения между шиной и дорожным полотном зависит преимущественно от величины продольного проскальзывания шины. При этом вертикальная составляющая играет вторичную роль, поскольку при постоянном проскальзывании шины в первом приближении можно рассматривать соотношение между тормозной силой и вертикальной нагрузкой, испытываемой шиной, как линейную зависимость.

Сила трения между шиной и дорожным полотном зависит и от угла бокового увода шины (её поперечного проскальзывания). Можно утверждать, что тормозная сила и сила тяги при равном проскальзывании шины уменьшается при увеличении угла бокового увода. Напротив, при постоянной величине тормозной или тяговой силы при увеличении угла бокового увода проскальзывание шины увеличивается.

 

Примечание:

Единственным элементом соприкосновения между транспортным средством и проезжей частью являются шины. Так у легкового автомобиля через 4 контурные площадки контакта должны передаваться тяговые моменты приводного механизма, тормозные силы и силы бокового увода.

Физические условия сцепления шины с дорогой образуют граничные условия, обусловленные коэффициентом трения, которые способно обеспечить покрытие проезжей части. Посредством сил, обеспечиваемых конструктивными особенностями шины и дорожными условиями, происходит целенаправленное изменение скорости и направления движения транспортного средства. Чем меньший коэффициент трения между шиной и дорожным полотном могут обеспечить дорожные и погодные условия, тем меньше существует возможностей для передачи сил, отвечающих за безопасность режимов движения транспортного средства.

С другой стороны, силы и моменты сил, действующие на колеса со стороны проезжей части, и наоборот, от механизмов транспортного средства на проезжую часть, должны передаваться через направляющий аппарат на кузов/раму транспортного средства. Но об этом – следующая глава…

За основу взята статья из журнала Auto Fachmann (декабрь 2006 г.), которую Титаренко Д. не только перевел, но и дополнил пояснениями и авторскими иллюстрациями.

 

Материалы  из Учебного пособия «Ходовая часть и системы управления автомобилем. Автор Титаренко Д.Н.

 Глава 3.3 Направляющие элементы подвески. Силы и моменты сил, действующие на подвеску

poyasneniya-rp008 -14bis

Рис. 3.31: Силы и моменты сил, действующие на подвеску автомобиля

Крутящий момент, передаваемый от двигателя на ведущие колеса (см. рисунок 3.31), создает между колесом и дорогой тяговое усилие Pk, а на ведущем мосту возникает реактивный момент Mp, который стремится провернуть ведущий мост в направлении, обратном направлению вращения колеса. Тяговое усилие Pk, прилагаемое к ведущим колесам автомобиля, порождает толкающую силу Pb, которая через подвеску воздействует на раму/кузов автомобиля и приводит его в движение.

При торможении автомобиля на колесах автомобиля возникает тормозящая сила T, направленная в сторону, противоположную направлению движения автомобиля. Так как тормозной механизм крепится к балке моста, тормозная сила вызывает появление тормозного момента MT, который стремится провернуть мост автомобиля в направлении, совпадающем с направлением вращения колеса автомобиля при его движении.

В рассмотренной конструкции все силы и моменты сил передаются через рессору. Однако если вместо рессоры в качестве упругого элемента применить витые пружины, которые не способны оказывать сопротивление боковым силам и моментам сил, возникающих при разгоне и торможении, в конструкцию подвески придется включать элементы, препятствующие перемещению моста в плоскости, параллельной поверхности дороги. Эти детали подвески называются направляющими элементами.

Таким образом, передача тормозного или реактивного момента, а так же возникающих при разгоне и торможении сил передаются на раму/кузов через направляющие элементы подвески автомобиля. Элементы подвески колеса, так же как и направляющие элементы подвески, соединяют кузов с осью колеса через шарнирные соединения, которые подвергаются значительным статичным и динамическим (ударным) нагрузкам, меняющимся не только по величине, но и по направлению. В процессе длительной работы увеличивается зазор в шарнирных соединениях, ось колеса получает возможность незапланированного конструкцией перемещения относительно рамы или кузова, что является причиной непредсказуемое поведения автомобиля при движении.

Все упругие элементы, используемые в подвеске колес/осей автомобиля, за исключением рессор, обладают излишней подвижностью, то есть они не способны удерживать ось колеса от перемещений в плоскости, параллельной поверхности дороги. Рессора способна играть роль направляющего элемента, но только в направлении, параллельном продольной оси автомобиля. Силы, прилагаемые к колесу в поперечном направлении, способны разрушить пакет рессорных листов, оборвав центральный стяжной болт пакета, или вывести мост, подвешенный на пружинах или упругих пневматических элементах, из-под автомобиля. Следовательно, в конструкцию подвески необходимо внести направляющий элемент, способный удерживать мост автомобиля от поперечного перемещения. Эту роль играет поперечная тяга, шарнирно связывающая кузов с осью автомобиля.

Рассмотрим некоторые схемы подвески колес с применением различных направляющих элементов.

poyasneniya-rp008 -15bis

Рис. 3.32: Подвеска ведущего не разрезного моста легкового автомобиля

1. – кронштейн; 2. упругий элемент (пружина); 3. – демпфирующий элемент (амортизатор); 4. – реактивная тяга; 5. – продольная штанга (продольный рычаг); 6. – кронштейн крепления поперечной штанги (тяги Панара) к кузову; 7. – тяга Панара – поперечная штанга; 8. – ведущий мост автомобиля.

Подвеска ведущего моста автомобиля классической компоновки, снабжена упругими пружинными элементами (поз.2 рисунка 3.32). От излишней подвижности в продольном направлении ведущий мост 8 удерживается двумя продольными штангами 5, а от поворота оси при разгоне и торможении – двумя реактивными тягами 4. Излишнюю подвижность в поперечном направлении ограничивает поперечная тяга 7, шарнирно прикрепленная с помощью кронштейна 1 к ведущему мосту, и соединенной с кузовом через кронштейн 6. Наличие большого количества направляющих элементов делает подвеску автомобиля громоздкой и усложняет её сервисное обслуживание.

 

poyasneniya-rp008 -16bis

Рис. 3.33: Подвеска на двух поперечно расположенных треугольных рычагах

Два треугольных рычага в пружинной подвеске (см. рисунок 3.33) переднего управляющего колеса играют роль направляющих элементов. Установка дополнительных  элементов, передающих кузову автомобиля усилия и моменты сил, в такой подвеске обычно не требуется. Расположенная поперек кузова автомобиля и шарнирно прикрепленная к нижним рычагам тяга играет роль стабилизатора поперечной устойчивости. Нижний рычаг этой подвески снабжен шаровой опорой, воспринимающей вертикальную нагрузку, приходящуюся на переднее управляемое колесо. Верхний рычаг подвески снабжен менее нагруженным шаровым шарниром. Шаровая опора – крайне перегруженный узел подвески колеса, который требует постоянного контроля. Появление люфта в шаровой опоре или шаровом шарнире является сигналом к их замене.

poyasneniya-rp008 -17bis

Рис. 3.34: Узел крепления стабилизатора поперечной устойчивости к нижнему рычагу подвески

1. – стабилизатор поперечной устойчивости; 2. – упорная шайба; 3. – упругая втулка; 4. – несъемная шаровая опора рычага; 5. – гайка крепления стабилизатора; 6. – вогнутая шайба; 7. – сайлентблок крепления нижнего рычага подвески.

В некоторых конструкциях подвески стабилизатор поперечной устойчивости (см. поз. 1 рисунка 3.34) используется как дополнительная тяга, создавая жесткую треугольную фигуру. Рычаг подвески, снабженный несъемной шаровой опорой 4, шарнирно прикреплен к корпусу автомобиля через упругую осевую втулку 7. На рычаге подвески выполнена проушина, в которую через упругие втулки 3 вставлена штанга 1 стабилизатора поперечной устойчивости. Для обеспечения бесшумной работы резиновые втулки 3 прижаты вогнутыми шайбами 2 и 6 и крышками 3. В прижатом к рычагу состоянии резиновые уплотнения удерживаются гайкой 5.

poyasneniya-rp008 -18bis

Рис. 3.35: Нижние рычаги телескопической подвески McPherson

Показанный на рисунке 3.35. набор рычагов применяется для подвески телескопической амортизаторной стойки, получившей название McPherson. Этот тип подвески в настоящее время наиболее распространен. Используют эту схему и российские автомобилестроители. Снабженная амортизаторной стойкой 6 прикрепленной к поворотному кулаку 7 подвеска управляемого колеса снабжена нижним рычагом 3 с шаровой опорой. Шаровая опора обеспечивает поворот кулака 7 управляемого колеса. Верхняя опора телескопической амортизаторной стойки снабжена опорным подшипником, который позволяет управляемому колесу поворачиваться вместе с телескопической стойкой относительно кузова автомобиля. Для обеспечения жесткости в подвеску управляемого колеса включена дополнительная тяга 4, шарнирно соединяющая проушину рычага подвески 3 с кузовом автомобиля. Эта тяга совместно с рычагом подвески составляет треугольник, придающей подвеске надлежащую жесткость.

Рис. 3.36: Наиболее простая, и поэтому весьма распространенная конструкция полужесткой подвески задних не ведущих колес

 

Наиболее распространенный тип подвески задних колес переднеприводного автомобиля изображен на рисунке 3.36. Момент сил, возникающих при торможении, воспринимается рычагами, прикрепленными к поперечной полужесткой балке. Этот тип подвески легко вписать в конструкцию автомобиля, так как балка не занимает много места, а между колес можно расположить запасное колесо или топливный бак.

poyasneniya-rp008 -19bis

Рис. 3.36: Наиболее простая, и поэтому весьма распространенная конструкция полужесткой подвески задних не ведущих колес

Наиболее распространенный тип подвески задних колес переднеприводного автомобиля изображен на рисунке 3.36. Момент сил, возникающих при торможении, воспринимается рычагами, прикрепленными к поперечной полужесткой балке. Этот тип подвески легко вписать в конструкцию автомобиля, так как балка не занимает много места, а между колес можно расположить запасное колесо или топливный бак.

poyasneniya-rp008 -20bis

На рисунке 3.37а изображена подвеска переднего комбинированного моста с одним треугольным рычагом. Подвеска обеспечивает достаточную жесткость крепления колеса. Реактивный и тормозной моменты воспринимаются двумя шарнирными сайлент-блоками, через которые треугольный рычаг соединен с кузовом автомобиля. Верхняя часть поворотного кулака соединена с телескопической стойкой типа McPherson.

Рисунок 3.37b демонстрирует 1-рычажную подвеску управляемого колеса с упругим элементом в виде торсионного вала Направляющими элементами в указанном типе подвески являются рычаги, шарнирно прикрепленные к нижней части поворотного кулака. Верхняя часть поворотного кулака шарнирно соединена с телескопической стойкой амортизатора. В качестве дополнительного усиления рычаг шарнирно прикреплен к кузову через стабилизатор поперечной устойчивости.

В предыдущей главе, посвященной упругим элементам подвески, мы подробно рассматривали типы рессор и отмечали тот факт, что рессоры играют роль не только упругих элементов, но и выполняют функцию направляющего элемента. Однако не во всех конструкциях рессоры способны выполнять функцию направляющего элемента. Рассмотрим балансирную подвеску, которая применяется на многоосных автомобилях, прицепах и полуприцепах, в тех случаях, если оси транспортного средства расположены близко друг от друга.

poyasneniya-rp008 -21bis

Ось балансиров (см. позицию 1 рисунка 3.38) может быть цельной или для снижения массы — разрезной, установленной на раме консольно. При таком типе подвески мосты качаются на шарнирно соединенных с рессорами балансировочных кронштейнах. В этом случае рессоры 3 воспринимают только вертикальную нагрузку веса транспортного средства. Сила тяги, тормозная сила, а так же реактивный и тормозной моменты передаются толкающими и реактивными штангами (2).

 

Материалы учебного пособия “Автомобильная подвеска” авторского коллектива А.В. Острецов, П.А. Красавин, В.В. Воронин, Л.А. Павлова, издательство МАМИ

Установка и стабилизация управляемых колес

Общеизвестно, что наименьшие сопротивление движению и износ шин будут в случае, когда колеса катятся в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля. Однако во время движения автомобиля колеса нагружаются силами вследствие их взаимодействия с опорной поверхностью и положение их относительно продольной оси изменяется. Управляемые колеса стремятся отклоняться от нейтрального положения, поэтому необходима их стабилизация, которая, препятствуя отклонениям, позволяет автомобилю сохранять прямолинейное движение даже на неровной дороге, а после отклонения колес возвращает их обратно.

Стабилизирующий эффект обеспечивается приходящейся на управляемые колеса нагрузкой (весовая стабилизация) и боковыми реакциями опорной поверхности, возникающими при отклонении колес от нейтрального положения (скоростная стабилизация).

В связи с этим, для повышения устойчивости автомобиля во время движения, легкости управления им и равномерного износа шин в процессе его эксплуатации служат углы установки передних колес, а при независимой подвеске, иногда и задних колес. К ним относятся: углы схождения и развала колес и поперечный и продольный углы наклона осей поворота колес.

У автомобилей классической компоновки, а также средне- и заднемоторных, имеющих привод на задние колеса, на передние ведомые колеса в контакте с дорогой действуют продольные реакции, равнодействующие которых Rx направлены против движения (рисунок 1 слева) и (на плече а) стремятся развернуть колеса наружу по отношению к направлению движения.

poyasneniya-rp008 -01

Рисунок 1: Продольные реакции Rx, действующие на ведомое (слева) и ведущее (справа) колеса и стремящиеся повернуть их, соответственно, наружу и внутрь по направлению движения

 

У переднеприводных автомобилей передние ведущие колеса катятся под действием подводимого к нему крутящего момента. При этом в контакте колес с дорогой действуют продольные реакции, равнодействующие которых Rx (силы тяги) совпадают с направлением движения (рисунок 1 справа) и (на плече а) стремятся свести колеса внутрь по отношению к направлению движения.

 

Упругие элементы подвески имеют определенную эластичность и не препятствуют колесам в занятии соответствующих положений. Для того чтобы управляемые колеса катились параллельно продольной плоскости автомобиля, их предварительно устанавливают под небольшими углами, называемыми углами схождения (рисунок 2).

poyasneniya-rp008 -02

Рисунок 2: Углы схождения и схождение колес

 

Угол схождения – угол между плоскостью вращения колеса и продольной вертикальной плоскостью, проходящей через центр колеса, измеренный в горизонтальной плоскости. Угол схождения считается положительным, если плоскости вращения колес пересекаются перед их осью, и отрицательным, – если сзади оси. Угол схождения определяется разностью расстояний (В – А), называемой схождением.

Схождение (в миллиметрах) – это разность расстояний между задними (В) и передними (А) закраинами ободьев колес на высоте их осей (в справочниках обычно приводится для штатных дисков колес, так как при произвольных размерах дисков понятие теряет смысл).

 

На легковых автомобилях классической компоновки схождение передних колес составляет примерно 2…3 мм, заднемоторных – в среднем 3,5 мм и переднеприводных (в зависимости от схемы направляющего устройства), – как правило, от минус 3 мм практически до 0.

Схождение передних колес регулируют изменением длины рулевых тяг. У некоторых автомобилей с независимой задней подвеской может регулироваться схождение задних колес.

Неправильно отрегулированное схождение является основной (но не единственной) причиной ускоренного износа протектора шин. Одним из первых признаков неправильно установленного схождения является визг шин при повороте с небольшой скоростью.

Колеса при движении автомобиля по возможности должны находиться в положении, когда они перпендикулярны поверхности дороги (угол развала γо = 0). В этом случае равнодействующие элементарных касательных реакций Rx приложены в плоскостях симметрии колес (см. рисунок 5).

Максимальный контакт колес с поверхностью дороги при движении автомобиля и устойчивость при поворотах обеспечивает угол развала. Кроме того, экспериментально подтверждено, что если колеса автомобиля установлены с небольшими углами развала, то повышается износостойкость шин. Очевидно, это связано с тем, что большинство автомобильных дорог имеет небольшую выпуклость и колеса автомобиля, установленные с развалом, занимают по отношению к дороге положение близкое к перпендикулярному.

Примечание Титаренко Д.: Высказанное авторами Острецовым А.В., Красавиным П.А., Ворониным В.В., Павловой Л.А. в учебном пособии «Автомобильные подвески» утверждение – сомнительно, так как данное утверждение правомерно только для однополосных дорог, которые в настоящее время имеются только что в селах.

Угол развала (рисунки 3 и 4) – угол между плоскостью вращения колеса и продольной вертикальной плоскостью, проходящей через центр колеса, измеренный в поперечной вертикальной плоскости. Угол развала считается положительным, если колёса направлены верхней стороной наружу, и отрицательным, если верхней стороной внутрь.

poyasneniya-rp008 -03

Рисунок 3: Положительный развал колеса

poyasneniya-rp008 -04

Рис. 4: Схема качения ведомого колеса под углом γо к вертикали

Прямолинейное качение наклоненного колеса сопровождается циркуляцией мощности между сечениями шины, имеющими различные радиусы (r1, r2 и т.д.), и дорогой. Сечения большего радиуса, стремящиеся пробуксовывать, становятся ведущими по отношению к сечениям меньшего радиуса, которые проскальзывают по дороге и являются тормозящими.

Если колесо ведомое, то касательные реакции, направленные против движения (отрицательные), увеличиваются в сечениях меньшего радиуса и уменьшаются в сечениях большего радиуса. Известно, что отрицательные касательные реакции, при качении ведомого колеса с развалом превышают положительные, вследствие чего их равнодействующая R направлена против движения и сдвинута в сторону сечений меньшего радиуса. Поэтому равнодействующая элементарных касательных реакций Rx возрастает на величину R. Кроме того, возникает момент Мγ относительно центра площади контакта шины, стремящийся дополнительно развернуть ведомое колесо наружу по направлению движения (см. рисунок 1 слева).

В случае ведущего колеса происходит обратное изменение эпюры элементарных касательных реакций.

Дополнительные силы R, R и момент Мγ, вызванные развалом колес, увеличивают нагрузки в рулевом приводе, а также сопротивление качению и износ шин.

У автомобилей с независимыми и торсионно-рычажными подвесками углы развала изменяются с изменением нагрузки на колесо, а также крена кузова автомобиля. У автомобилей (в снаряженном состоянии) с такими подвесками зачастую устанавливают отрицательные углы развала, чтобы во время движения на поворотах шины могли передавать большие боковые силы, что улучшает устойчивость движения.

В настоящее время положительные углы развала применяются лишь в двух случаях:

  • на автомобилях с подвесками типа McPherson;
  • на спортивных автомобилях, предназначенных для движения по овалам, – на внутренних колёсах.

Тенденции развития конструкций современных подвесок таковы, что изменение наклона колес автомобиля во время движения на поворотах должно происходить в сторону противоположную направлению крена кузова (рисунок 5).

poyasneniya-rp008 -05

Рис. 5: Изменение развала, связанное с креном кузова

Такой подход обеспечивает улучшение сцепных свойств шин при прохождении автомобилем поворотов и, как следствие, улучшение его устойчивости. Для того чтобы боковые реакции опорной поверхности могли обеспечивать скоростную стабилизацию управляемых колес при движении автомобиля, они должны создавать относительно поворотных осей (или шкворней) соответствующие стабилизирующие моменты. Если равнодействующая боковых реакций приложена в точке опорной поверхности, находящейся на одной вертикали с центром колеса, то необходимое продольное плечо bβ обкатки (вылет оси поворота) образуется продольным наклоном оси поворота (или шкворня) управляемого колеса на угол β (рисунок 6).

poyasneniya-rp008 -06

Рис. 6: Схема продольного наклона шкворня

Угол продольного наклона оси поворота управляемого колеса (Caster angle) – угол в продольной вертикальной плоскости, проходящей через центр колеса, между вертикалью, проходящей через центр колеса, и проекцией оси поворота колеса на эту плоскость (рисунок 7).

poyasneniya-rp008 -07

Рис. 7: Угол продольного наклона оси поворота управляемого колеса

 

Тогда отклонение колеса из нейтрального положения вызывает стабилизирующий момент Мβ, пропорциональный (при данном плече bβ) величине равнодействующей боковых реакций

 

Мβ = R * bβ.

 

Направление стабилизирующего момента таково, что при возникновении самопроизвольного поворота автомобиля он стремится самостоятельно, без участия водителя повернуть колеса в сторону, соответствующую уменьшению кривизны траектории (рисунок 8).

 

poyasneniya-rp008 -08

Рис. 8: Схема возникновения стабилизирующих моментов при продольном наклоне оси поворота управляемых колес:

Fj – центробежная сила; Fjy – поперечная сила инерции; Fк – сила тяги; Мβ – стабилизирующий момент; R – равнодействующая боковых реакций; bβ – вылет оси поворота

 

У автомобилей оси поворота управляемых колёс всегда наклонены назад по отношению к направлению движения (положительный угол β). При отрицательном угле β эффект скоростной стабилизации управляемых колёс сменяется их динамической дестабилизацией, что делает управление автомобилем практически невозможным.

 

У легковых автомобилей углы продольного наклона осей поворота управляемых колес находятся в пределах 1…4°. У спортивных автомобилей их увеличивают для повышения устойчивости движения и улучшения управляемости прямолинейного движения.

Необходимо отметить, что у легковых автомобилей с подвеской McPherson осью поворота колеса является линия, проходящая через середину верхней опоры телескопической стойки и центр сферы шаровой опоры, закрепленной на нижнем рычаге подвески.

Большинство передних подвесок легковых автомобилей имеет устройства для регулирования в небольших пределах углов продольного наклона осей поворота управляемых колес для компенсации нормального износа в процессе эксплуатации.

Скоростная стабилизация возникает не только вследствие специальных конструкционных мероприятий, но и самопроизвольно из-за эластичности шин автомобилей.

Одним из важнейших следствий эластичности является увод шин. Под действием боковой силы Fу передние части протектора катящейся шины, начинающие входить в контакт с опорной поверхностью, еще не нагружены элементарными боковыми реакциями Ry. По мере смещения этих участков по пятну контакта назад боковые реакции возрастают, в связи с чем, эпюра их распределения вдоль пятна контакта шины с опорной поверхностью приобретает форму близкую к треугольной (рисунок 9).

 

poyasneniya-rp008 -09

Рис. 9: Качение колеса с уводом

Равнодействующая боковых реакций Rу =Fу смещается по направлению к задней части пятна контакта на расстояние bδ относительно оси колеса, к которой приложена сила Fу. Так как деформация элементов шины в боковом направлении пропорциональна их нагружению боковыми силами Fу, овальный отпечаток шины в зоне контакта с опорной поверхностью прогибается, а вектор скорости качения колеса Vа отклоняется от плоскости вращения колеса на угол δ называемый углом бокового увода. В результате этого возникает стабилизирующий момент

Мδ = Rу * bδ ,

который по способу возникновения и производимому эффекту полностью эквивалентен стабилизирующему моменту Мβ, вызванному продольным наклоном шкворня, и при движении складывается с ним. По мере роста угла увода момент Мδ возрастает до тех пор, пока поперечные реакции, действующие на элементы задней зоны контакта, не достигнут значений их сил сцепления и не начнется проскальзывание, сопровождающееся уменьшением стабилизирующего эффекта (рисунок 10).

poyasneniya-rp008 -10

Рис. 10: Зависимость стабилизирующего момента Mδ от угла увода δ

Таким образом, суммарный стабилизирующий момент MΣ, возникающий при продольном наклоне оси поворота колеса и уводе:

MΣ = Мγ + Мδ = Rу (bβ + bδ) = Rу * b,

где b = bβ + bδ – общее плечо устойчивости, на котором приложена равнодействующая боковых реакций Rу.

Суммарный стабилизирующий момент MΣ может по производимому эффекту может оказаться чрезмерным, что приведет к возникновению излишнего усилия на рулевом колесе. Поэтому зачастую продольные углы наклона осей поворота управляемых колес устанавливают ближе к нижнему пределу.

Скоростная стабилизация способствует повышению курсовой устойчивости движения автомобиля и обеспечению водителю чувства дороги. Но этот эффект незаметен при движении с малыми скоростями, когда на автомобиль не действуют заметные боковые силы. Поэтому наряду со скоростной применяют весовую стабилизацию. При рассмотрении природы этого эффекта для упрощения принимают, что контакт колеса с опорной поверхностью точечный, а углы развала колес и продольного наклона осей поворота управляемых колес отсутствуют.

Весовая стабилизация управляемых колес обеспечивается поперечным наклоном их осей поворота (или шкворней). Возникновение стабилизирующего момента при этом объясняется тем, что точка контакта колеса с опорной поверхностью дороги при вращении рулевого колеса должна двигаться как бы под дорогу. Реально же приподнимается передняя часть автомобиля, которая затем под действием нагрузки на управляемые колеса возвращает их в первоначальное положение.

Угол поперечного наклона оси поворота управляемого колеса (или шкворня) – угол в поперечной вертикальной плоскости, проходящей через центр колеса, между вертикалью, проходящей через центр колеса, и проекцией оси поворота колеса на эту плоскость (рисунок 11). Эти углы у легковых автомобилей находятся в пределах 6…10°.

poyasneniya-rp008 -11

Рис. 11: Схема поперечного наклона шкворня:

Gк – нагрузка на колесо;

α – угол наклона шкворня;

с – поперечное плечо обката

 

Необходимо отметить, что поворот колеса вокруг поперечной оси приводит к изменению угла развала. Это свойство весьма полезно для придания лучшей устойчивости автомобилю при движении на поворотах за счет обеспечения наружному по отношению к центру поворота колесу, воспринимающему бόльшую боковую силу, отрицательного или, по крайней мере, уменьшенного положительного угла развала. Последнее может быть достигнуто путем правильного выбора углов продольного наклона осей поворота управляемых колес и конструкции направляющего устройства подвески автомобиля.

 

Может создаться впечатление, что при нулевом или небольшом отрицательном значении плеча обкатки с (см. рис. 11) стабилизирующий эффект неминуемо должен исчезнуть. На самом деле из-за наличия продольного наклона оси поворота колеса и большой ширины пятна контакта шины с опорной поверхностью весовая стабилизация при уменьшении плеча обкатки уменьшается, но полностью не исчезает даже при нулевых и небольших отрицательных значениях плеча обкатки.

Отклонение углов установки колес от нормативных значений может стать причиной неустойчивого движения автомобиля (самопроизвольный увод от прямолинейного направления движения, “рыскание”), неравномерного и преждевременного износа шин и деталей подвески, а также повышенного расхода топлива.

Проверку и при необходимости регулировку углов установки колес выполняют на специальных стендах согласно руководствам по эксплуатации автомобилей. Проверка углов установки колес производится на автомобиле без нагрузки, с заполненным наполовину топливным баком, номинальным давлением воздуха в шинах, при отсутствии чрезмерных люфтов в узлах подвески.

Примечание Титаренко Д.: Утверждение, что проверку углов установки колес производят на автомобиле без нагрузки, с заполненным наполовину топливным баком – не согласуется с требованиями, изложенными в Руководствах по ремонту автомобилей. Каждый автомобиль имеет свое собственное, регламентируемое изготовителем транспортного средства «базовое положение», которое достигается выравниванием автомобиля и определенной величиной просадки упругих элементов передних и задних колес.

При проверке углов установки передних колес сначала проверяются углы продольного наклона осей поворота колес, затем углы развала и, в последнюю очередь, углы схождения колес.

Таким образом, углы установки управляемых колес при движении автомобиля обеспечивают:

  • устойчивое прямолинейное движение автомобиля (курсовую устойчивость);
  • качение управляемых колес при повороте автомобиля без проскальзывания;
  • стабилизацию управляемых колес;
  • снижение усилия, прикладываемого к рулевому колесу при повороте;
  • снижение нагрузки на детали подвески от неровностей опорной поверхности.

 

P.S. Автором сайта даны пояснения, относящиеся к неверным трактовкам некоторых высказываний, встречающихся в приводимых материалах с целью предостережения от “веры на слово” всему, что “слито” в Интернет.

Ни в коей мере не пытаюсь чем-то задеть авторов, цитируемых на сайте, и готов к открытой полемике на форуме

С уважением к Вашим заслугам, степеням и званиям, Титаренко Дмитрий

 

 

 

 

Оставить комментарий

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
  Подписаться  
Уведомление о