1.5.2 Принцип Аккермана и схождение управляемых колес

 

1.5.2.1 Углы рассогласования

 

Принцип Аккермана, как это было указано выше, определяет разницу углов поворота ближнего к центру поворота по отношению к дальнему от центра поворота транспортного средства колеса. Принцип Аккермана справедлив для любых транспортных средств, и гарантирует наилучшую в пределах физических возможностей управляемость транспортного средства при прохождении поворота или движения по кривой.

До открытия закономерностей, положенных в основу принципа Аккермана, транспортные средства, естественно, с конной тягой, снабжались рулевым приводом с параллельно расположенными рулевыми рычагами, и, как следствие, при поворотах одно из колес транспортного средства волочилось по поверхности полу-боком. Рудольф Аккерман (1764 – 1834) разработал принцип использования наклонных рулевых рычагов, который устраняет эту проблему рулевого управления в транспортных средствах.

poyasneniya_19_01

Рис. 1.38: Рисунок изображает автомобиль (для лучшего отображения угла поворота колес автор выбрал гоночный автомобиль), совершающий поворот (в указанном случае, поворот будем считать бесконечно длинным). Красные линии изображают траектории движения колес

Нетрудно заметить, что внутренние колеса автомобиля следуют по окружности меньшего диаметра, чем внешние колеса.

Если оба колеса повернуты на одинаковую величину, внутреннее колесо будет катиться по дороге с боковым проскальзыванием, что приведет к дополнительному расходу энергии и снизит эффективность рулевого управления. Вынужденное скольжение колеса может быть устранено с помощью поворота внутреннего колеса на угол, больший, чем угол поворота внешнего колеса.

Источник: www.rctek.com «Information &Resources for Model Car Racer»

Причину необходимости поворота внутреннего и наружного по отношению к центру поворота колес мы рассматривали в пункте 1.5.1 этого учебного пособия. Различие внутреннего (Ris) и внешнего радиуса (Ros) зависят от ряда факторов, включая геометрические размеры автомобиля, в частности: ширину колеи и базу автомобиля, а также от радиуса поворота отрезка пути, который собирается пройти автомобиль.

poyasneniya_19_02

Рис. 1.39: Колеса автомобиля, совершающего поворот, описывают различные траектории, обусловленные различными радиусами этих траекторий.

Для обозначения этих радиусов примем:

Ris (inside) = радиус траектории движения внутреннего к центру поворота колеса;

Ros (outside) = радиус траектории движения наружного от центра поворота колеса

Источник: rstek

Очевидно, что при повороте автомобиля ближнее к центру поворота колесо будет отклоняться от прямолинейного положения на угол, больший, чем произойдет отклонение от прямолинейного положения дальнего от центра поворота колеса. Эта разность углов поворота колес называется рассогласованием углов поворота управляемых колес. Вместе с тем, управляемые колеса должны будут стоять параллельно, если автомобиль движется по прямой. Рудольф Аккерман заметил, что для обеспечения этой зависимости, необходимо, чтобы рассогласование углов поворота управляемых колес возрастало от нулевого значения, когда колеса транспортного средства занимают позицию, соответствующую прямолинейному движению, до максимальной величины, при которой колеса транспортного средства будут повернуты на максимальный угол поворота. Необходимо так же обеспечить, чтобы углы рассогласования при одинаковом повороте левого и правого колеса, принимали одинаковое значение.

 

1.5.2.2 Рулевая трапеция

Создание рассогласования колес достигается путем комбинации угла и длины рулевых рычагов. Ниже вы сможете увидеть несколько рисунков, которые приводят примеры использования параллельных и наклонных рулевых рычагов, для демонстрации того, почему необходимо использовать принцип Аккермана в рулевом управлении.

 

Если рулевой привод сделать в виде параллелограмма?

poyasneniya_19_03

Рис. 1.40: Рулевые рычаги в приводе управляемых колес установлены параллельно; Источник: rstek

Если рычаги привода управляемых колес автомобиля установить параллельно боковым сторонам автомобиля, перемещение поперечно расположенной рулевой тяги  приведёт к равному повороту управляемых колес на равные углы.

poyasneniya_19_04

Рис. 1.41: Демонстрация углов поворота управляемых колес в случае применения параллельных рулевых рычагов в приводе управляемых колес автомобиля; Источник: rstek

 

Почему происходит равное угловое отклонение управляемых колес можно увидеть, последовательно изучив представленные рисунки. На рисунках изображена красная окружность с центром в точке, вокруг которой будет осуществлять поворот управляемое колесо. На рисунке слева шарнир рулевого рычага (B) находится на одной прямой с осью поворота колеса (A), в случае установки колеса в позицию, соответствующую прямолинейному движению. Прочертим перпендикулярную линию, отступив от шарнира (B) на небольшое расстояние в сторону оси поворота (A) управляемого колеса. Повернув управляемое колесо влево и вправо так, чтобы шарнир рулевого рычага оказался на одной проведенной ранее прямой, мы увидим, что колесо при левом и правом повороте отклонится на одинаковый угол.

 

Если рулевой привод сделать в виде трапеции?

 

На расположенном ниже рисунке рулевые рычаги установлены под углом к продольной оси автомобиля, причем так, что шарниры рулевых рычагов приближены к продольной оси автомобиля. Поведение управляемых колес при их повороте будет рассмотрено на рисунке 1.43.

poyasneniya_19_05

Рис. 1.42: Рулевые рычаги рулевого привода установлены по углом к продольной оси автомобиля; Источник: : rstek

 

Почему происходит неравное угловое отклонение управляемого колеса можно увидеть на рисунке 1.43, на котором отображено относительное положение шарнира рулевого рычага (B) на окружности красного цвета, представляющую собой траекторию движения шарнира рулевого рычага (B) при вращении управляемого колеса вокруг оси (A) поворота управляемого колеса.

poyasneniya_19_06

Рис. 1.43: Демонстрация углов поворота управляемых колес в случае применения непараллельных рулевых рычагов в приводе управляемых колес автомобиля; Источник: rstek

 

Так как рулевой рычаг установлен под углом к продольной оси автомобиля, шарнир (B) рулевого рычага не находится на прямой, параллельной продольной плоскости автомобиля, но находится на окружности, которую будет описывать точка (В) рычага при повороте управляемого колеса.

Рассматривая рисунок 1.43, несложно увидеть, что поворот управляемого колеса на одинаковый угол не вызовет одинакового перемещения шарнира (B) рулевого рычага. Если на крайнем правом рисунке шарнир (B) совместить с горизонтальной линией, то станет очевидным, что колесо повернулось почти на 90°.

Принцип Аккермана состоит в том, что неравное угловое перемещение является экспоненциальным, то есть, чем больше вы поворачиваете колесо, тем больше становится угловое различие между колесами. В противном случае оба колеса никогда не будут указывать прямо вперед, когда автомобиль не поворачивает.

poyasneniya_19_07

Рис. 1.44: Принцип Аккермана состоит в том, что при повороте одного из колес на заданный угол, угол поворота другого колеса отличен; Источник: rstek

 

Изложенные выше примеры показывают, что установленные под углом рулевые рычаги позволяют получить параллельное расположение управляемых колес при прямолинейном движении автомобиля, как при параллельной установке рулевых рычагов, так и при их угловом расположении.

poyasneniya_19_08

Рис. 1.45: На рисунке изображена точная геометрия угла Аккермана в рулевом управлении. Это определяется установкой рулевых рычагов под такими углами, чтобы линии, проведенные через ось поворота колеса и шарнир рулевого рычага, пересекались в точке, принадлежащей осевой продольной линии автомобиля, и линии задней оси; Источник: rstek

 

Увеличенный, уменьшенный и точный угол Аккермана в рулевом управлении

Это часто употребляемые термины в спортивном автомобилестроении, и они относятся к величине разницы в углах колес относительно точной геометрии угла Аккермана в рулевом управлении.

 

Точный угол Аккермана – нулевое схождение при повороте

poyasneniya_19_09

Рис. 1.46: При точном угле Аккермана плоскости вращений обоих передних колес автомобиля принадлежат касательным, построенным в центральных точках пятен контакта передних управляемых колес; Источник: rstek

Так как точный угол Аккермана в рулевом управлении обеспечивает точное следование колес по предназначенных им траекториям. В этом случае отсутствует какое-либо расхождение колес в повернутом положении, хотя внутреннее колесо поворачивает на больший угол, чем это происходит с колесом, дальним от центра поворота автомобиля. Это можно наблюдать на представленном рисунке.

 

Вернемся к рисунку 1.32. Центр поворота автомобиля лежит на продолжении оси вращения задних колес автомобиля, что в точности совпадает с принципом Аккермана. Зададимся вопросом, будет ли оказывать влияние на углы поворота управляемых колес длины рулевых рычагов?

Одновременное увеличение или уменьшение длин рулевых рычагов не окажет никакого влияния на рассогласование углов поворота управляемых колес, и длина рычагов подбирается конструктором исходя из возможности размещения рулевых тяг в автомобиле. Однако даже незначительное отклонение оси, проведенной через точку вращения управляемого колеса и шарнир рулевого рычага справа или слева по ходу движения автомобиля вызовет смещение точки пересечения осей, проведенных через рулевые рычаги с продольной осевой линии автомобиля, что в принципе – недопустимо.

Рассмотрим, что же будет происходить, если точка пересечения осей рулевых рычагов окажется на продольной осевой линии автомобиля, но в базе автомобиля, то есть ближе к передней его оси.

 

Увеличенный угол Аккермана – расхождение при повороте

poyasneniya_19_10

Рис. 1.47: При увеличенном угле Аккермана точка пересечения продолжений осевых линий, проведенных через рулевые рычаги, лежит перед задней осью транспортного средства; Источник: rstek

poyasneniya_19_11

Рис. 1.48: Боковой увод колес передней и задней осей вызывает смещение мгновенного центра поворота автомобиля вперед. Если боковой увод передних и задних колес автомобиля одинаков, то автомобиль обладает так называемой «нейтральной поворачиваемостью». Это значит, что радиус поворота автомобиля не изменился, хотя и произошло центра поворота вперед; Источник: Racing Car Technology (RCT)

 

Когда автомобиль совершает поворот на высокой скорости, рулевая геометрия Аккермана существенно модифицируется углами бокового увода, как это показано на рисунке 1.48. При максимальной центробежной силе можно ожидать величину углов бокового увода в диапазоне от 5° до 8°. Шины с малым соотношением высоты к ширине (серии 35…50) могут работать только при малых углах бокового увода. Чем ниже серия шины, тем меньший угол бокового увода обеспечивается шинами, так шины 35 серии могут работать при 2° угла бокового увода. Шины с высоким соотношением высоты к ширине (например, шины для внедорожников) могут работать вплоть до 40° угла бокового увода.

Угол бокового увода шины зависит от вертикальной нагрузке, воспринимаемой шиной, поэтому при высоких скоростях прохождения поворотов переднее колесо, катящееся по траектории наиболее удаленной от центра поворота, нагружается больше, чем шина, катящаяся по траектории, расположенной ближе к центру поворота. Следовательно, углы увода правого и левого переднего колеса будут иметь разные значения.

poyasneniya_19_12

Рис. 1.49: При увеличенном угле Аккермана плоскость вращения дальнего от центра поворота переднего колеса автомобиля принадлежит касательной, построенной в центральной точке пятна контакта переднего управляемого колеса. Ближнее к центру поворота колесо поворачивается на чрезмерный угол, поэтому касательная, построенная в центральной точке пятна контакта, не принадлежит плоскости вращения этого колеса; Источник: rstek

 

Во избежание чрезмерного износа шин при совершении поворотов необходимо устанавливать колеса со схождением, причем при нейтральной поворачиваемости и малом уводе шин – схождение колес может быть близким к нулевому значению.

Если же шины, установленные на автомобиль, склонны под действием боковых сил к высокому уводу, то схождение следует устанавливать с положительным значением.

Все автомобили с приводом на передние колеса обладают недостаточной поворачиваемостью. Это значит, что в результате приложения боковой силы колеса задней оси имеют больший угол увода, чем колеса передней оси. Компенсацию недостаточной поворачиваемости производят установкой в задней подвеске системы рычагов, способствующих при крене кузова в повороте небольшому повороту задней оси в направлении от центра поворота.

poyasneniya_19_13

Рис. 1.50: На представленном рисунке показана подвеска задних колес автомобиля, поворачивающего направо. Крен кузова влево вызван центробежной силой, приложенных к центру масс автомобиля. При крене кузова относительно передней подвески, необходимо учесть, что рулевые тяги не только будут поворачивать управляемые колеса, но и изменять схождение управляемых колес

Все эти факторы учитываются еще на стадии конструирования, поэтому главная задача механика – не навредить, соблюдая все предписания создателей автомобиля.

Оставить комментарий

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
  Подписаться  
Уведомление о