Что мы понимаем под управляемостью и возмущаемостью автомобиля

ФОРУМ ПТИА-АВТО

Актуальная информация о технической экспертизе и сертификации транспортных средств при тюнинге, переоборудовании, модернизации и ремонте, а также о проверке цистерн для перевозки опасных грузов

Устойчивость и управляемость автомобиля

Устойчивость и управляемость автомобиля

Сообщение Алексей » 23 мар 2017, 14:00

Устойчивость — это способность автомобиля двигаться в разнообразных условиях без опрокидывания, заноса и увода. Понятия устойчивость и управляемость тесно переплетаются и их следует рассмотреть совместно. Причинами, вызывающими нарушение устойчивости и управляемости автомобиля, наиболее часто являются воздействующие на автомобиль боковые силы. Особенно высокие требования к устойчивости предъявляются при работе автомобиля на скользких дорогах и при движении с большими скоростями.

Различают:
-продольную;
-поперечную;
-боковую устойчивость автомобиля.

Способность автомобиля сохранять устойчивость в поперечном направлении (поперек дороги) называется поперечной устойчивостью, например при движении по дороге с поперечным уклоном или по косогору. Потеря автомобилем поперечной устойчивости (опрокидывание через левые или правые колеса) тем менее вероятна, чем шире колея (расстояние между колесами) и ниже расположен центр тяжести. Значительное повышение центра тяжести вследствие высоты груза снижает поперечную устойчивость автомобиля.
Технический Регламент Таможенного Союза (ТР ТС 018/2011) предъявляет требования к поперечной статической устойчивости транспортного средства при испытаниях при опрокидывании для транспортных средств категорий M, N, O (применительно к категории М1 – только для транспортных средств категории G только в отношении подпункта 4.2.1, Приложение 3).
ТР ТС 018/2011 определяет, что под углом статической устойчивости αсу понимается угол наклона опорной поверхности α опрокидывающей платформы относительно горизонтальной плоскости, при котором произошел отрыв всех колес одной стороны одиночного транспортного средства максимальной массы от опорной поверхности платформы. Величина угла αсу, полученная в результате технического расчета, должна быть не менее нормативного значения αн = 21° зависящего от коэффициента qs поперечной устойчивости транспортного средства и определяемого расчетным путем по формулам.

Боковой устойчивостью называют способность автомобиля противостоять влиянию боковых сил, вызывающих скольжение задней или передней оси в сторону (боковой занос).

Рис. 2. Сила сцепления колес с дорогой, изображенная в виде круга, используется: а — на создание силы тяги (вектор Р); б — на создание тормозной силы (вектор Рт ); в — на удержание автомобиля от боковых сил (вектор Рб); г — на создание силы тяги и удержание автомобиля от боковых сил (вектор Рs ); д — на создание тормозной силы и удержание автомобиля от боковых сил (вектор Ръ )

Загородное шоссе иногда имеет выпуклый поперечный профиль, часто переходящий на повороте в односторонний уклон, как в сторону центра поворота, так и в сторону от центра поворота. В последнем случае боковая устойчивость автомобиля резко снижается, так как боковая сила, вызывающая занос, и центробежная сила, опрокидывающая автомобиль, направлены в одну сторону от центра поворота.

Известны случаи, когда боковой занос заканчивается опрокидыванием автомобиля. Опрокидывание автомобиля может также произойти от резкого поворота руля на высокой скорости.

Управляемость автомобиля
Управляемость — свойство автомобиля изменять направление движения при изменении положения управляемых колес. Качественно это свойство можно оценивать по степени приближения фактической траектории движения автомобиля к желаемой. В реальных дорожных условиях постоянно возникает необходимость корректирования или изменения направления движения автомобиля. Это достигается воздействиями водителя через рулевое управление на управляемые колеса. Действия водителя, направленные на сохранение или изменение величины и направления скорости движения, а также ориентации продольной оси автомобиля, называются управлением. Управление автомобилем является основной производственной функцией водителя. Для успешного осуществления этой функции автомобиль должен обладать соответствующими свойствами: адекватно реагировать на управляющие воздействия водителя; обеспечивать устойчивое прямолинейное движение и движение на повороте; сохранять нейтральное положение управляемых колес (занимаемое ими при прямолинейном движении) и автоматически возвращаться в него после совершения поворота; исключать колебания управляемых колес. Эти свойства определяют надежность и эффективность управления автомобилем и его устойчивое движение. Свойства управляемости и устойчивости тесно взаимосвязаны и имеют много общих черт. Они зависят от одних и тех же параметров механизмов автомобиля — рулевого управления, подвески, шин, распределения масс между мостами и др. Различие состоит лишь в способах оценки критических параметров движения автомобиля. Параметры, характеризующие свойства устойчивости, определяются без учета управляющих воздействий, а параметры, характеризующие свойства управляемости, — с их учетом. Для оценки управляемости автомобиля предложено множество показателей. Устойчивость управления характеризуется свойством системы водитель — автомобиль выполнять с оговоренной заранее точностью на заданном отрезке пути задаваемые характеристики движения. Характеристики движения определяют зависимости изменения скорости, траектории, курсового угла и угла крена подрессоренной массы в функции времени или пути. В правилах ООН № 79, в ГОСТ Р 31507-2012 и предусмотрены следующие показатели и характеристики управляемости автомобиля и автопоезда [20]:

1) скорость самовозврата рулевого колеса;

2) остаточное значение угла поворота рулевого колеса;

3) заброс угла поворота рулевого колеса;

4) время стабилизации;

5) усилие на рулевом колесе при повороте на месте;

6) усилие на рулевом колесе при движении автомобиля по круговой траектории;

7) характеристика траекторной управляемости при установившемся круговом движении;

8) характеристика заброса угловой скорости автомобиля (или прицепа) над установившимся значением этой скорости при входе в поворот;

9) характеристика обратного заброса угловой скорости прицепа при входе в поворот;

11) максимальная скорость выполнения маневра «поворот»;

12) характеристика углов поворота рулевого колеса;

13) характеристика скоростей поворота рулевого колеса;

14) средняя скорость корректирующих поворотов рулевого колеса при прямолинейном движении.

Устойчивость автомобиля вместе с его управляемостью и тормозной динамичностью обусловливают безопасность движения.

Источник

Управляемость автомобиля

Управляемость автомобиля — это его способность легко изменять направление движения при повороте рулевого колеса и удер­живать заданное направление движения.

Во время движения автомобиля очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес при движении прямо.

Углы установки управляемых колес

Во время движения автомобиля очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес при движении прямо. Для улучшения устойчивости автомобиля при его движении и облегчения управляемости конструктивно предусматриваются углы установки управляемых колес.

Рис. Углы установки управляемых колес:
γ – угол продольного наклона оси; α – угол развала; β – угол поперечного наклона оси; θв – внутренний угол поворота; θн – наружный угол поворота; А – расстояние между внутренними поверхностями передней части шин; В – расстояние между внутренними поверхностями задней части шин

Угол развала обеспечивает перпендикулярное расположение колес по отношению к поверхности дороги при движении автомобиля, а также передачу сил реакции дороги на внутренний подшипник, что разгружает наружный подшипник колеса меньшего размера, а значит, уменьшает толчки, передаваемые на рулевой механизм.

Угол развала может быть поло­жительным, когда верхняя часть колеса отклонена наружу относи­тельно кузова автомобиля, отрица­тельным, когда верхняя часть колеса отклонена внутрь, и нуле­вым, когда плоскость колеса сов­падает с вертикалью.

Неправильная установка углов развала колес может являться следствием:

Все вышесказанное относится как к передним, так и к задним колесам автомобиля.

При диагностировании геометрии подвески углы развала колес прове­ряются всегда, на автомобилях всех марок, а регулировке подлежат лишь в тех случаях, когда это предусмотрено конструк­цией.

Угол схождения колес (разность расстояний между внутренними поверхностями задней и передней частей шин переднего либо заднего моста (Б – А)) необходим для того, чтобы обеспечить параллельное качение колес, так как при движении автомобиля из-за установки колес с развалом возникает усилие, способствующее разворачиванию колес на угол 0,5-1,0″ от вертикальной плоскости автомобиля, что приводит к качению колес по расходящимся дугам. Кроме того, угол схождения предохраняет колеса от проскальзывания при наличии люфта в сочленениях рулевых тяг, подшипниках колес.

Схождение колес может измеряться не только в линейных (мм), но и в угловых величинах (градусах), причем в последнее время измерение в угловых величинах предпочтительнее.

Общее схождение может быть положительным, когда расстояние А меньше, чем Б, отри­цательным, когда расстояние А больше, чем Б, и нулевым, когда А равно Б. Помимо общего схожде­ния различают индивидуальное схождение для каждого колеса, определяемое как угол между плоскостью колеса и осью симметрии в плане.

Неправильная установка углов развала колес может являться следствием:

Схождение колес измеряется всегда и регулируется на всех мар­ках автомобилей изменением длины рулевых тяг.

Колеса переднеприводных авто­мобилей обычно имеют небольшое схождение, как положительное, так и отрицательное (порядка ± 2 мм). На заднеприводных, как правило, только положительное при величине не более 5мм.

Угол поперечного наклона оси определяется углом, образуемым осью подвески с вертикальной плоскостью. Такой наклон совместно с углом развала уменьшает расстояние между точкой пересечения геометрической оси подвески с дорогой и точкой центра контакта шины, что уменьшает плечо момента, который необходимо приложить при повороте колес автомобиля, а значит, облегчает управление автомобилем.

При поперечном наклоне шкворня (оси поворота управляемых колес) повернуть колесо вместе с цап­фой всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движе­ние по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса вместе с цапфой передняя часть автомобиля приподни­мается на величину б (водитель прила­гает сравнительно большое усилие к рулевому колесу).

При возвращении управляемых ко­лес в положение, соответствующее дви­жению по прямой, масса автомобиля помогает поворачиванию колес и води­тель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

Как правило, этот угол является положительным и достаточно большим (от +5°до +20°) и в эксплуатации не регулируется.

Угол продольного наклона оси служит для стабилизации управляемых колес моментом, возникающим за счет плеча (расстояние от оси подвески до центра контакта шины) боковой силы.

Благодаря продольному наклону шкворня колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению к оси поворота (оси шкворня) отнесена назад на некоторую величину и колесо всегда стремится занять исходное положение, т. е. положение автомобиля при движении по пря­мой. При этом колесо находится сзади подвески и тянется за ней, это стабилизирует прямолинейный ход колеса с избегание угловых колебаний его. При движении задним ходом появляется противоположный эффект – колесо толкается подвеской, поэтому рулевое колесо удерживается труднее.

Продольный угол наклона оси поворота может быть положитель­ным, когда ось поворота наклонена в сторону водителя, отрицатель­ным, когда она наклонена от води­теля, и нулевым, когда ось пово­рота совпадает с вертикалью.

Слишком большие углы накло­на оси поворота приводят к резко­му возрастанию усилий, прикладываемых к рулевому коле­су при выполнении поворотов.

Неотрегулированность про­дольных углов наклона оси пово­рота приводит главным образом к неустойчивому движению авто­мобиля. Траектория движения ав­томобиля отклоняется в сторону того колеса, у которого ось пово­рота наклонена больше. На боль­шинстве автомобилей разница продольных углов наклона оси поворота левого и правого колес не должна превышать 0°30′.

Углы продольного наклона осей поворота колес подлежат проверке. Возможность регулировки предусмо­трена далеко не на всех автомобилях.

Оси поворота колес передне­приводных автомобилей имеют неболь­шие, обычно положительные углы продольного наклона (порядка +2°…+3°). У заднеприводных автомобилей диапазон изменения этого параметра намного больше (от +2° до +14°).

Разность внутреннего и наружного углов поворота необходима для исключения проскальзывания колес при их повороте.

При заходе автомобиля в поворот про­исходит постепенное перерастание схождения колес в расхождение благодаря специ­альной конструкции тяг управления колесом. Колесо внутреннего радиуса поворачивается сильнее, чем наружное, что автоматически усиливает изменение на­правления и облегчает усилие на руль. Это также необходимо и потому, что на пово­роте внутренние колеса имеют меньший радиус поворота, чем наружные.

При возвращении управляемых ко­лес в положение, соответствующее дви­жению по прямой, масса автомобиля помогает поворачиванию колес и води­тель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

Шины с небольшим внутренним дав­лением воздуха также имеют стабили­зирующие свойства, поэтому утлы на­клона шкворней в легковых автомоби­лях меньше или совсем отсутствуют. Однако на автомобилях, где давле­ние воздуха в шинах невелико, возни­кает боковой увод под действием попе­речной силы, вызывающей боковой прогиб шины, при этом колеса смеща­ются в сторону.

Рис. Схема бокового увода колес

Оба колеса передней оси имеют оди­наковый угол увода. При уводе колес радиус поворота увеличивается. При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается. Особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем передних — стабильность движе­ния нарушается, автомобиль начинает «рыскать», и водителю все время приходится подправлять направление дви­жения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давле­ние воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем в задних. Увод колес будет тем боль­ше, чем больше будет боковая сила, действующая на автомобиль (например, на крутом повороте, где возникает большая центробежная сила.

Управляемость автомобиля зависит и от состояния рулевого управления. Во время движения водитель постоянно пользуется рулевым колесом, не выпуская его из рук. Если рулевое колесо необходимо по­ворачивать с большим усилием, водитель быстрее устает, переставая реагировать на небольшие отклонения автомобиля, срезает углы по-, ворота и этим создает угрозу для безопасности движения. При наруше­нии регулировки подшипников ступиц передних колес, большом люфте в сочленениях рулевого механизма и рулевого привода, неправильной установке передних колес (схождение и развал) или шинах несоответствующего размера также значительно ухудшается управляемость ав­томобиля.

Движение автомобиля связано с выполнением различных манев­ров. Во время поворотов на автомобиль действует центробежная си­ла, при этом нарушается устойчивость автомобиля и водитель затра­чивает значительно больше усилий, чем при движении по прямой. Чем длиннее автомобиль и чем круче повороты, тем больше должна быть ширина поезда.

Благодаря наличию рулевой трапеции передние колеса поворачи­ваются на неодинаковый угол и катятся без проскальзывания. Если полагать, что задние колеса катятся по следу передних, то радиусом поворота считают расстояние от центра поворота до середины задней оси. Наружным радиусом считается расстояние от центра поворота до крайней передней точки автомобиля, а внутренним радиусом — рас­стояние от центра поворота до ближайшей точки автомобиля у задней оси.

Минимальная величина радиуса поворота зависит от максимального угла поворота передних колес, который не у всех автомобилей одина­ков, а у легковых больше, чем у грузовых.

Для автомобилей с прицепами ширина проезда на повороте должна быть еще больше. В этом случае внутренний радиус поворота опреде­ляется по ближайшей точке до центра поворота у задней оси последнего прицепа.

Во время движения на по­вороте возникает центробежная сила, приложенная в центре тяжести автомобиля. Эта сила направлена по радиусу от цент­ра поворота (рис. 201); ее можно разложить на две составляющие, одна из которых (А) направлена вдоль оси автомобиля, а другая (Б)—в поперечном направлении, стремящаяся опрокинуть авто­мобиль или вызвать его занос.

Рис. Разложение центробежной силы на повороте

Поперечную составляющую центробежной силы определяют по формуле

C = Gv2/gR
где С — поперечная составляющая, приложенная к центру тяжести автомобиля, кгс; G — масса автомобиля, кг; v — скорость дви­жения автомобиля, м/с; R — радиус поворота (до середины задней оси), м; g — ускорение свободно падающего тела, м/с2.

Из приведенной зависимости видно, что чем больше масса и ско­рость движения и меньше радиус поворота, тем больше будет попереч­ная составляющая центробежной силы и хуже устойчивость автомо­биля на повороте. Наибольшее влияние на величину центробежной силы и ее поперечную составляющую оказывает скорость движения, так как в приведенной зависимости она берется в квадрате. Если ско­рость движения увеличить в 2 раза, то поперечная составляющая цент­робежной силы увеличится в 4 раза. Чтобы уменьшить центробежную силу на повороте, водитель должен снизить скорость движения.

Занос — это боковое скольжение задних колес при продол­жающемся поступательном движении автомобиля вперед. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикаль­ной оси. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказать­ся, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, а автомобиль занесет, особенно это часто случается на сколь­зких дорогах.

При неодинаковых тяговых силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, возникает поворачивающий момент, приводящий к за­носу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой и левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их результирующая может превысить силу сцепления, препятствующую заносу.

Рис. Схема заноса автомобиля на повороте

Чтобы приостановить начавшийся занос автомобиля, необходимо сразу же прекратить торможение и, не выключая сцепление, повер­нуть колеса в сторону заноса. После прекращения заноса нужно вы­ровнять колеса, чтобы он не начался в другом направлении.

Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге; особенно быстро наступает занос на большой ско­рости, поэтому на скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не приме­няя торможение. Кроме заноса, при определенных условиях может воз­никнуть опрокидывание автомобиля.

Источник

ЛЕКЦИЯ 15. Тема 8. Управляемость автомобиля

1. Управляемость и ее значение для безопасности дорожного движения

2. Поворачиваемость автомобиля и ее влияние на безопасность движения

3. Потеря управляемости автомобиля по техническим причинам

1. Управляемость и ее значение для безопасности дорожного движения

Управляемостью называют способность автомобиля устойчиво сохранять заданное направление движения и вместе с тем быстро изменять его при воздействии водителя на рулевое управление.

Управляемость обеспечивается соответствующими элементами конструкции автомобиля: углами установки управляемых колес, определенным соотношением углов поворота правого и левого колес, правильным соотношением давления в шинах передних и задних колес.

От технического состояния автомобиля в большой мере зависит его управляемость. На нее отрицательно влияют неправильная установка управляемых колес, увеличенные зазоры в рулевом механизме и приводе, перекосы осей и ведущего моста, слишком низкое или высокое давление в шинах. Биение колес на большой скорости может вызвать их виляние, что также ухудшает управляемость.

Подавляющее большинство опасных дорожных ситуаций (до 80– 85%) водитель ликвидирует путем своевременного поворота рулевого колеса и изменения направления движения автомобиля. При этом водитель может, либо, повернув автомобиль, отвести его от опасной зоны под углом к прежнему направлению движения, либо выехать в соседний ряд.

Поворачивая рулевое колесо, водитель задает новое направление движению автомобиля. При плохой управляемости автомобиля действительное направление движения не совпадает с желательным и необходимы дополнительные управляющие воздействия со стороны водителя. Это приводит к “рысканию” автомобиля по дороге, увеличению динамического коридора и утомлению водителя. При особенно неблагоприятных условиях плохая управляемость может явиться причиной столкновения автомобилей, наезда на пешехода или выезда за пределы дороги.

2. Поворачиваемость автомобиля и ее влияние на безопасность движения

Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес. Есть две основных причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый поперечной эластичностью шин, и поперечный крен кузова, связанный с эластичностью подвески. Соответственно различают шинную и креновую поворачиваемость автомобиля.

Уводом называют качение колеса под углом к своей плоскости. При действии на колесо с эластичной шиной поперечной силы Р_у вектор скорости центра колеса отклоняется от плоскости вращения на некоторый угол d – угол увода. Сила Р_у и угол увода d связаны следующей зависимостью:

где k_yв – коэффициент сопротивления уводу (первая производная от поперечной силы по углу увода), Н/рад.

Величина k_yв зависит от многих факторов, из которых наибольшее значение имеют величина угла увода, вертикальная и касательная силы, приложенные к колесу, и наклон колеса к вертикали.

Рис. 1. Схема движения автомобиля с эластичными шинами

При наличии увода центр поворота автомобиля находится не в точке О, как у автомобиля с жесткими шинами (рис. 1), а в точке O₁, т. е. в месте пересечения перпендикуляров к векторам скоростей v₁ и v₂. Траектория движения автомобиля с жесткими шинами зависит только от угла q. У автомобиля с эластичными шинами на нее влияют углы увода, которые в свою очередь зависят от q, v и других факторов. При наличии увода автомобиль может двигаться криволинейно, даже при q = 0. Кривизна траектории зависит от соотношения d₁ и d₂ (углы увода переднего и заднего мостов).

Если d₁ = d₂, то шинную поворачиваемость автомобиля называют нейтральной. Хотя при этом траектория движения автомобиля о жесткими шинами не совпадает с траекторией движения автомобиля, имеющего нейтральную поворачиваемость, так как центры поворота в этих случаях занимают различные положения. В случае действия поперечной силы на автомобиль, имеющий жесткие шины, он сохраняет прежнее направление движения, пока эта сила по величине не станет равной силе сцепления. Автомобиль, имеющий нейтральную шинную поворачиваемость, под действием поперечной силы движется под углом d_ув к прежнему направлению движения.

Рис. 2. Схемы движения автомобиля с различной шинной поворачиваемостью: а – с недостаточной; б – с излишней

Если d₁ > d₂, то для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой управляемые колеса нужно повернуть на больший угол, чем при жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля называют недостаточной. Под действием поперечной силы Р_у (рис. 2, а) при прямолинейном движении передняя ось автомобиля с недостаточной поворачиваемостью в результате увода движется под углом d₁ к прежнему направлению движения, а задний мост – под углом d₂. Автомобиль поворачивается вокруг центра O₁, вследствие чего возникает центробежная сила Р_ц, поперечная составляющая Р_цу которой направлена в сторону, противоположную силе Р_у, что уменьшает результирующую поперечную силу и увод колес. Следовательно, автомобиль с недостаточной шинной поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное направление движения.

Если угол d₁ 1, при нейтральной h_пов = 1, а при недостаточной h_пов

Источник