Основные понятия

 

Углы установки колес – конструктивные параметры, определяющие их положение в режиме прямолинейного движения и в поворотах. Каждая модель автомобиля предусматривает индивидуальные значения углов, которые определяются устройством автомобильной подвески. В зависимости от ее конструкции одни углы могут быть регулируемыми, а другие – жестко фиксированными. Это относится как к передней, так и к задней осям автомобиля. Одним из важнейших свойств подвески является стабилизация управляемых колес, т.е. их способность устойчиво сохранять прямолинейное движение автомобиля и возвращаться к нему после поворота. Для улучшения стабилизации управляемых колес оси их поворота имеют наклоны как в в продольной, так и в поперечной плоскостях.

poyasneniya_pkio13_01

 

Рис. 1: Угол продольного (слева) и угол поперечного (справа) наклона оси поворота управляемого колеса отсчитываются не от продольной плоскости кузов, а от вертикали

 

Ось поворота колеса, или «шкворневая ось – это условная или виртуальная ось, вокруг которой осуществляется поворот управляемого колеса при вращении руля. Как правило, условная ось поворота проходит через центры опор поворотной стойки подвески или центры шаровых опор, но в ряде современных автомобилей, например, автомобильного концерна VAG, подвеска колес снабжена парой рычагов с шаровыми шарнирами как сверху, так и снизу. Поворот управляемого колеса происходит вокруг виртуальной оси, которая меняет свое положение в пространстве не только при повороте управляемых колес, но и в ходе сжатия отбоя подвески.

К углам установки колес относятся развал и схождение колес. За стабилизацию управляемых колес отвечают углы продольного и поперечного наклона оси поворота колеса.

 

Для убедительности, расскажу вначале о рулевой колонки и вилке переднего колеса велосипеда

Вы, наверняка, замечали, что ось поворота управляемого колеса велосипеда наклонена вперед, и что стоящий на месте велосипед почему-то поворачивает руль в сторону.

Если взять велосипед за седло и катить его вперед, то Вы почувствуете, как чутко реагирует велосипед на малейшие наклоны рамы велосипеда в стороны.

Если же, взявшись за седло, попробовать катить велосипед назад, то движения его руля станут непредсказуемыми. Удержать рули в прямолинейном положении не удастся!

Вы, наверняка, когда-либо ездили на велосипеде, и даже «без рук»! Велосипед чутко реагировал на любые, даже самые незначительные наклоны корпуса в сторону, ответно реагирую поворотом руля.

А Вы не пробовали на велосипеде ехать задним ходом? Как-то неустойчиво ведет себя велосипед, чтобы не упасть, все время приходится касаться ногами земли.

Отчего же это происходит, и зачем велосипеду необходим наклон рулевой колонки, и изогнутая форма вилки переднего колеса?

Геометрия передней вилки и Trail (выкат переднего колеса)

 

Проделаем эксперимент. Если поставить обычный велосипед вертикально на оба колеса, и, держа за раму, наклонить её в сторону, то и руль сам повернется в ту же сторону. Причина такого поведения кроется в конструкции передней вилки и рулевой колонки. Именно они определяют взаимное расположение двух важных точек. Точки A – места контакта переднего колеса с дорогой и точки B – пересечения оси рулевой колонки с той же дорогой. Взаимное положение этих точек задает не только направление, в какую сторону повернётся руль при наклоне велосипеда, но и его курсовую устойчивость, управляемость, строгость управления, стабильность на виражах и многое другое. Все велосипеды можно разделить на два типа: AB и BA. Тип AB – у которого точка контакта переднего колеса с дорогой расположена впереди точки B (рис. 2а). Тип BA – Точка A лежит позади точки B (рис. 2б).

poyasneniya_pkio13_02

Рис. 2: Формирование плеча действия боковой силы наклоном оси поворота управляемого колеса велосипеда + выносом сои вращения колеса относительно его оси поворота

 

При наклоне велосипеда типа АВ в одну сторону, его руль будет поворачиваться в другую сторону и по очень ясной причине – точка приложения силы трения A лежит впереди оси вращения колеса В. Велосипед, при повороте “без рук”, будет складываться пополам как ширма и с грохотом сыпаться на землю. Совсем иначе реагирует на наклон руль и переднее колесо велосипеда типа ВА, – они будут поворачиваться в сторону наклона велосипеда сами, и безо всяких рук. А при правильных размерах и углах, велосипед будет стремиться вернуться в вертикальное положение точно так, как будто его руль повернули руками – рулю надо только немного помочь, направить его в нужном направлении! По этой причине велосипеды типа АВ в магазинах не сыскать, их используют только в цирке, обученные артисты, которые ездят и вперед и назад, и на одном колесе…

 

Форма передней вилки

poyasneniya_pkio13_03

Рис. 3: Формы передних вилок оказывают существенное влияние на формирование плеча действия боковой силы

 

Варианты, изображенные на рисунках 3а) и 3б), иллюстрируют, что изгиб вилки оказывает существенное влияние на формирование плеча выката переднего управляемого колеса. Если сделать слишком большой выкат колеса (расстояние между точками B и A), это приведет к колоссальному стремлению руля повернуть в сторону при малых скоростях движения велосипеда, или при его остановке. Это обусловлено появлением поворотного момента, образованного вертикальной силой (весом велосипеда), прилагаемой к точке A. Вместе с тем, при движении велосипеда управляемое колесо будет стремиться занять положение, соответствующее прямолинейному движению. В этом случае продольная сила (сила трения между колесом и опорной поверхностью), прилагаемая к той же точке A, будет стремиться повернуть колесо прямо (эффект рояльного колесика).

Если же к точке A, будет приложена боковая сила, то эта сила будет стремиться повернуть руль в сторону. Плечо действия боковой силы определяется длиной перпендикуляра, опущенного из точки A на ось рулевой колонки (ось поворота управляемого колеса).

Кстати, боковая сила появляется при движении велосипеда, как только Вы отклоните руль от прямолинейного положения. Момент боковой силы, формируемый при движении велосипеда боковой силой, будет стремиться вернуть руль в положение, соответствующее прямолинейному движению.

Чтобы дать возможность велосипедисту двигаться как на малых, так и на больших скоростях, плечо AB делают короче, изгибая велосипедную вилку вперед (см. рис. 3в). Но, даже если вилка прямая, то меняют её наклон, относительно оси рулевой колонки, или петухи, в которых крепится переднее колесо, смещают вперед.

Расстояние между осью рулевой колонки и осью втулки переднего колеса, называют по-разному, и Rake и Fork Offset, а на русскоязычных сайтах можно встретить названия: выбег, смещение или вылет вилки. Величина вылета вилки R обычно находится в пределах от 30 до 50мм. Зная вылет вилки, угол наклона оси рулевой колонки и реальный диаметр (с учетом толщины и деформации шины) колеса, легко можно подсчитать расстояние между точками A и B. Это расстояние называется Trail или выкат (выбег) переднего колеса, иногда его можно найти в каталогах. Итак, зная Trail, можно подсчитать коэффициент устойчивости (управляемости) (Ку), который равен:

poyasneniya_pkio13_04

 

Где

Т (Trail) – выкат, или выбег переднего колеса;

G – межосевая база велосипеда.

У современных велосипедов Ку лежит в диапазоне от 5% до 7,5% и выбирается обычно значение близкое к границе устойчивости, по весьма прозрачной причине – таким велосипедом легче управлять.

Итак, мы определили, что плечо устойчивости велосипеда (вылет) передней вилки определяются по принципу: из центра переднего колеса опускают перпендикуляр к точке (B) на опорную поверхность, а ось вилки продолжают до пересечения с опорной поверхностью – до точки (A). Полученное расстояние (AB) между двумя точками и будет плечом устойчивости велосипеда.

poyasneniya_pkio13_05

Рис. 4: Форма вилки дорожного велосипеда, и плечо устойчивости АВ

 

Плечо устойчивости AB существенно влияет на устойчивость велосипеда и удобство его управлением. Для велосипеда очень важно сочетание этих двух свойств.

После того, как Вы ознакомились с конструкцией передней вилки велосипеда, можно приступить к изучению узла поворота управляемого колеса автомобиля.

 

Кастер

(Caster – англ.) – Продольный угол наклона оси поворота управляемого колеса.

poyasneniya_pkio13_06

Рис. 5: Угол продольного наклона оси поворота управляемого колеса (кастер) и плечо действия боковой силы (В)

 

Для обеспечения динамической стабилизации управляемых колес нам необходимо сформировать плечо устойчивости (Trail). Принцип формирования этого плеча подобен рассмотренному выше примеру с велосипедным колесом, однако изгиб передней вилки на автомобиле, конечно же, не применяют.

poyasneniya_pkio13_07

Рис 6: Формирование необходимой величины плеча действия боковой силы (плеча устойчивости) выносом оси вращения колеса относительно оси его поворота

 

К формированию необходимого значения плеча устойчивости подходят следующим образом:

  •                 Определяют значение угла продольного наклона оси поворота управляемого колеса (τ = кастер);
  •                 Определяют значение выноса оси вращения управляемого колеса по отношению к оси его поворота (nτ = вынос оси поворота);
  •                 Расстояние от точки пересечения оси поворота управляемого колеса до точки пересечения перпендикуляра, опущенного из оси вращения колеса на опорную плоскость, и является плечом устойчивости управляемого колеса.

Угол наклона оси поворота управляемого колеса формирует весовую стабилизацию колеса. Если управляемого колесо поворачивать, например, на 90°, то точка 1, которой обозначена ось вращения колеса, займет место, определяемое точками 2. Причем два колеса управляемой оси при их взаимной повороте займут противоположные относительно точки 1 позиции. Это вызовет небольшой крен передней части автомобиля, так как одно колесо будет приподнимать переднюю часть, а противоположное колесо – опускать переднюю часть автомобиля.

Мы ранее упоминали, что при наличии угла наклона передней вилки неподвижного велосипеда будет наблюдаться стремление руля самостоятельно повернуть так, чтобы рама велосипеда заняла положение как можно ближнее к поверхности земли.

poyasneniya_pkio13_08

Рис 7: Плечо действия боковой силы na получено путем сложения продольного угла наклона (кастера) и отрицательного выноса (-nτ) оси вращения колеса. Параметр na – реальное плечо, формирующее совместно с боковой силой (1) поворотный момент управляемого колеса (момент стабилизации)

Принцип действия ясен из поведения рояльного колесика – при движении оно стремится оказаться позади ножки, то есть занять наиболее устойчивое положение.

poyasneniya_pkio13_06

Рис. 5: (дополнительно – ближе к тексту)

Чтобы получить тот же эффект на автомобиле с приводом на задние колеса, точка пересечения оси поворота с поверхностью дороги (с) должна быть впереди центра пятна контакта колеса с дорогой (d). Для этого ось поворота и наклоняют назад, как у велосипеда. Теперь при отклонении от прямолинейного движения в точке (d) будет возникать боковая сила, которая постараются вернуть колесо на место.

Если на автомобиль будет действовать боковая сила, формируемая, например, центробежной силой, возникающей при повороте автомобиля, управляемое колесо будет стремиться занять положение, соответствующее прямолинейному движению.

Более того, если на машину действует боковая сила, то кастер обеспечивает при случайно отпущенном руле плавный поворот машины по направлению этой силы, и не дает ей опрокинуться. На переднеприводном автомобиле при торможении динамическая стабилизация работает так же, как и на заднем приводе. Но при разгоне колесо уже не катится позади ножки, а толкает ее впереди себя, поэтому динамическая стабилизация не требуется.

poyasneniya_pkio13_09

Рис. 8: Формирование поворотного момента при качении колеса с наклоном плоскости его вращения

На этом значение кастера не заканчивается, при повороте руля он наклоняет оба колеса в сторону поворота. Когда колесо наклоняется, наружная окружность качения (1) становится больше внутренней (2), и соответственно проходит больший путь.

poyasneniya_pkio13_10

Рис 9: Образование угла продольного наклона оси поворота управляемого колеса (кастера)

1 – стойка типа McPherson; 2 – верхняя опора стойки; 3 – шаровая опора; 4 – ось поворота управляемого колеса; τ – угол продольного наклона оси поворота (кастер).

 

Но так как это одно и то же тело и не может разорваться, то внутренняя часть тормозит внешнюю и колесо стремится повернуть в сторону наклона. Это значит что кастер, наклоняя оба передних колеса в сторону поворота, увеличивает поворачиваемость при повернутом руле

Угол продольного наклона оси поворота управляемого колеса (кастер) можно измерить, если спроецировать на продольную перпендикулярную опорной поверхности плоскость автомобиля ось поворота управляемого колеса. Кастер – это угол между образовавшейся проекцией и вертикалью. Его будет видно, если смотреть на автомобиль сбоку (см. рис. 9). Кастер является одним из основных параметров геометрии подвески, которые обеспечивают стабилизацию управляемых колес в движении. Кастер считается положительным, если ось наклонена назад по ходу движения относительно вертикали. Однако стабилизацию управляемых колес автомобиля при движении формирует не сам кастер, а продольная сила, действующая на плече, которое на рисунке 7 обозначено, как na. Это плечо называют плечом действия боковой силы.

А теперь попытайтесь ответить сами себе.

 

Изменится ли плечо действия боковой силы, если на автомобиль установить нештатные колеса?

 

Кастер

Для управляемых колёс

Кастер (продольный угол наклона оси поворота колеса)

 

Кастор (английское – caster angle или castor angle) — угол продольного наклона оси поворота колеса автомобиля.

 

Кастер (или кастор) измеряется в градусах (угловых минутах) и представляет собой угол в продольной плоскости автомобиля между вертикальной линией и линией, проходящей через центры поворота колеса.

Эта линия проходит через шаровые опоры верхнего и нижнего рычагов подвески («классическая» двухрычажная подвеска), либо через верхнюю и нижнюю точки крепления амортизаторной стойки (подвеска типа McPherson) либо по оси шкворня (шкворневая подвеска) в продольной плоскости автомобиля. Кастор может быть как положительным, так и отрицательным.

 

Кастер или кастор (en:Caster angle) — угол между вертикалью и проекцией оси поворота колеса на продольную плоскость автомобиля. Продольный наклон обеспечивает самовыравнивание управляемых колёс за счёт скорости автомобиля. Другими словами: автомобиль выходит из поворота сам; руль, который отпущен и обладает свободным ходом, сам возвращается в положение прямолинейного движения (на ровной дороге, с отрегулированными механизмами). Это происходит, естественно, при положительном кастре. Например, кастер позволяет ездить на велосипеде, не держась за руль.

 

Патент Артура Кребса (1896) гласит: «Чтобы обеспечить устойчивость переднего моста, то есть, чтобы автоматически устанавливать оси колёс параллельно… передняя ось располагается на некотором расстоянии позади проекции оси рулевого механизма…»

 

На обычных автомобилях кастер превышает 6°. Спортсмены устанавливают данное значение на несколько градусов выше, что делает ход автомобиля устойчивее, а также повышается стремление авто к прямолинейному движению. И, наоборот, на цирковых велосипедах или на погрузчиках кастер часто равняется нулю, так как скорость перемещения сравнительно невелика, но при этом есть возможность повернуть по меньшему радиусу. Но автомобиль создается для большей скорости, поэтому требует лучшей управляемости.

 

Положительный кастер.

Кастер, или кастор — это продольный угол оси поворота колеса, взятый между ней и вертикалью.

На заднеприводных автомобилях оси поворота передних колёс всегда наклоняют назад (положительный кастер). При наклонённой назад оси поворота колесо во время движения само стремится занять положение позади этой оси, что создаёт динамическую стабилизацию. Это можно уподобить поведению колёсика рояля или офисного стула — при качении оно всегда само занимает положение позади своей оси (во многих европейских языках такое колёсико как раз и называется «кастером» или «кастором»). При движении в повороте боковые силы реакции дороги также стараются вернуть колесо в исходное положение, так как прикладываются позади оси его поворота.

По той же причине вилку переднего колеса на мотоциклах и велосипедах тоже всегда наклоняют назад.

Благодаря наличию положительного кастера заднеприводный автомобиль продолжает ехать прямо при отпущенном руле, даже несмотря на воздействие возмущающих сил — неровностей дороги, бокового ветра и так далее. Колесо, имеющее положительный кастер, старается занять положение, соответствующее прямолинейному движению, даже если лопнула одна из рулевых тяг.

Отсюда вытекает совершенная недопустимость при тюнинге заднеприводных автомобилей чрезмерно лифтовать заднюю подвеску — при этом кузов вместе с осью поворота передних колёс наклоняется вперёд, и кастер становится нулевым или даже отрицательным, при этом эффект динамической стабилизации передних колёс сменяется их динамической дестабилизацией, что значительно затрудняет управление автомобилем и делает его опасным. Большинство передних подвесок автомобилей имеют возможность регулировки кастера в небольших пределах для компенсации нормального износа в процессе эксплуатации.

poyasneniya_pkio13_11

Рис. 10:  Изменение значения угла продольного наклона оси поворота управляемого колеса (кастера) при изменении положения кузова

 

Для переднеприводного автомобиля положительный кастер намного менее актуален, так как передние колёса уже не свободно катятся, а тянут машину за собой, и небольшое его положительное значение сохраняют лишь для большей устойчивости при торможении.

 

Влияние кастора на управляемость автомобиля

Кастор влияет на стабилизирующий момент и на изменение развала колес при повороте руля. Чем больше кастор, тем больше стабилизирующий эффект при вывернутых колёсах.

Из-за того, что точка контакта колеса (при положительном касторе) с поверхностью лежит несколько позади оси поворота, при отклонении колеса от прямолинейного движения возникают боковые силы, стремящиеся вернуть колесо в начальное положение.

Кроме того, если в начальный момент отклонения колес от нейтрального положения при прохождении поворота только внешнее колесо имеет необходимый отрицательный развал, то по мере увеличения отклонения колес в сторону поворота внешнее колесо приобретает ещё больший отрицательный развал, а отрицательный развал внутреннего колеса уменьшается или даже становится положительным. Таким образом, кастор благоприятно влияет на сцепление управляемых колес в поворотах.

При повороте в одну из сторон одно из колес стремится приподнять шасси, другое же само приподнимается. Таким образом, для поворота колес необходимо не только преодолеть силы трения, но и затратить некоторое количество энергии на приподнимание шасси. Благодаря этому и выше описанным боковым силам водитель может «чувствовать» автомобиль.

При дефектах кузова, после ударов, этот угол обычно изменяется неодинаково. Разница между этими углами на левом и правом колёсах обычно приводит к уводу автомобиля с прямой линии даже при идеально отрегулированных остальных углах и качественной резине.

Параметры кастера

Параметры кастера для легковых автомобилей

Автомобиль Значение кастера
ЗАЗ-965, ЗАЗ-965А 2°31’
ЗАЗ-966, ЗАЗ-966В 2°30’
ЗАЗ-968, ЗАЗ-968А, ЗАЗ-968М 5°30’
ЛуАЗ-969, ЛуАЗ-969М 5°30’
Москвич 407 1°…3°
Москвич-403, −408, −412, −2140, −2138, −2137, −2136 0°20’…1°20’
ВАЗ-2101, −2102, −2105 3°30’…4°30’
ВАЗ-2103, −2106, −2107 3°40’…4°20’
ВАЗ-2121 3°00’…4°00’
ГАЗ-21
ГАЗ-24 0°…1°
ГАЗ-3110 3°…6°
ГАЗ-13, ГАЗ-14 0°…1°
ГАЗ-69, ГАЗ-69А 3°30’±30’
ЗИЛ-114, ЗИЛ-117, ЗИЛ-41047 0°45’±30’
УАЗ-469, УАЗ-469Б 3°30’

Параметры кастора для грузовых автомобилей

Автомобиль Значение кастера
ГАЗ-51 2°30’
ГАЗ-52-03, ГАЗ-52-04
ГАЗ-53, ГАЗ-53А 2°30’
ЗИЛ-164 1°30’
ЗИЛ-130 2°30’
ЗИЛ-157 2°30’
МАЗ-500, −503, −504, −5335, −6422 2°30’
Урал-375, Урал-377 2°10’
КрАЗ-256, −257, −258
КрАЗ-255Б, КрАЗ-260