Устройство автомобилей

Увод колеса и поворачиваемость автомобиля

Увод колеса

При прохождении автомобилем поворота возникающая боковая сила Р_у действует на весь автомобиль, в том числе и на колеса, которые находятся в контакте с дорогой. Поскольку колеса снабжены эластичными шинами, то боковая сила Р_у вызовет деформацию шин в зоне контакта колес с дорогой.

Допустим, что к оси равномерно и прямолинейно катящегося колеса приложена боковая сила, перпендикулярная плоскости его качения (рис. 1). Под действием этой силы в плоскости дороги возникает равная ей боковая реакция R_у . В результате совместного действия сил Р_у (приложенной к центру тяжести автомобиля) и R_у (приложенной в зоне контакта колес с дорогой) происходит деформация упругой шины. Деформируется и беговая дорожка.
Если бы не было деформации шины, то беговая дорожка оставляла бы на плоскости качения колеса прямолинейный след аб , являющийся линией пересечения плоскости качения колеса с плоскостью дороги. Однако в результате боковой деформации шины точки следа получают смещение, и линия следа аб будет наклонена к линии аб под некоторым углом δ_ув , называемым углом увода .

Отклонение вектора скорости эластичного колеса от плоскости его вращения при действии любой по величине боковой силы называется боковым уводом (или просто уводом), а угол между этим вектором и плоскостью вращения колеса – углом увода.

Боковая сила, вызывающая увод, может быть связана с углом увода соотношением:

где k_ув – коэффициент сопротивления уводу, показывающий какую по величине поперечную силу надо приложить к колесу, чтобы оно катилось с углом увода, равным 1 рад.

Для малых углов увода (до 6˚) коэффициент k_ув приближенно можно считать постоянным. Для легковых автомобилей k_у изменяется от 15 до 40 Н/рад, а для грузовых автомобилей и автобусов – от 30 до 100 Н/рад.

Коэффициент k_ув можно считать постоянным лишь приближенно. Увеличение вертикальной нагрузки и давления воздуха в шинах сопровождается повышением сопротивления уводу.
При возникновении увода происходит деформация шины в радиальном и поперечном направлении, в результате чего возрастает внутреннее трение в шине. При дальнейшем увеличении углов увода начинается скольжение протектора по дороге. Результатом этого является то, что сила, необходимая для качения колеса с уводом должна быть больше, чем для его качения без увода.

Увод колеса без скольжения по дороге возможен лишь до тех пор, пока боковая сила Р_у , приложенная к колесу, не превысит его сцепные возможности.

Поворачиваемость автомобиля

Свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес называется поворачиваемостью автомобиля. Поворачиваемость проявляется в результате бокового увода колес вследствие эластичности шин или поперечного крена кузова вследствие эластичности упругих элементов подвески. Поэтому различают поворачиваемость шинную и креновую.

Если в автомобиле с жесткими шинами центр поворота находится в точке О (рис. 2) пересечения продолжения осей передних и задних колес, то у автомобиля с эластичными шинами центр поворота будет находиться в точке О₁ пересечения перпендикуляров к векторам скоростей v₁ и v₂ переднего и заднего мостов. Тогда можно записать:

где δ₁ и δ₂ – углы увода соответственно переднего и заднего мостов;
ρ_э – радиус поворота автомобиля с эластичными шинами;
L – база автомобиля.

Так как углы θ , δ₁ и δ₂ обычно невелики, то можно записать:

Для автомобиля с жесткими шинами углы увода равны нулю: δ₁ = δ₂ = , и для радиуса поворота справедлива формула:

где ρ – радиус поворота автомобиля с жесткими шинами.

Таким образом, траектория движения автомобиля с жесткими шинами зависит только от угла θ поворота управляемых колес. У автомобиля с эластичными шинами на нее влияют углы δ₁ и δ₂ . Кривизна траектории зависит от соотношения углов δ₁ и δ₂ .
Если δ₁ = δ₂ , то это называется нейтральной поворачиваемостью .
При этом, согласно формуле (3) ρ_э = ρ , однако траектория движения автомобиля с эластичными шинами не совпадает с траекторией движения автомобиля, имеющего нейтральную поворачиваемость, так как центры поворота в этих случаях занимают разные положения.

При действии поперечной силы на автомобиль с жесткими шинами он будет сохранять свое прежнее направление движения, пока обеспечивается его устойчивость по сцеплению колес с дорогой. Автомобиль же на эластичных шинах с нейтральной поворачиваемостью при действии боковой силы будет двигаться прямолинейно под углом δ_ув к прежнему направлению движения.

Если δ₁ > δ₂ , то ρ_э (рис. 3, б), и для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой радиусом ρ управляемые колеса нужно повернуть на больший угол, чем при жестких шинах.
В этом случае имеет место недостаточная поворачиваемость .

Если δ₁ δ₂ , то ρ_э > ρ (рис. 3, в), и для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой радиусом ρ управляемые колеса нужно повернуть на угол, меньший, чем при жестких шинах, т. е. наблюдается излишняя поворачиваемость .

Чтобы понять влияние различных видов поворачиваемости на устойчивость автомобиля, рассмотрим воздействие на автомобиль боковой силы Р_у в случае, когда угол поворота управляемых колес равен нулю: θ = .

В случае нейтральной поворачиваемости (рис. 3, а) автомобиль будет двигаться под углом δ_ув = δ₁ = δ₂ к траектории своего прежнего движения.

В случае недостаточной поворачиваемости (рис. 3, б) в результате того, что углы уводов переднего и заднего мостов различны, будет действовать центробежная сила Р_ц из центра О₁ поворота автомобиля, при чем она будет направлена в противоположную сторону возмущающей боковой силе Р_у , что уменьшит ее и, как следствие, произойдет увод колес.
Следовательно, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное движение.

В случае излишней поворачиваемости (рис. 3, в) будет действовать центробежная сила из центра поворота О₁ , но в данном случае ее направление будет совпадать с направлением боковой силы Р_у , что вызовет еще больший увод колес с изменением траектории движения. Поэтому автомобиль с излишней поворачиваемостью менее управляем и хуже сохраняет направление движения, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью.

Креновая поворачиваемость автомобиля зависит от конструкции подвески. На рис. 4 показан задний мост с подвеской на листовых полуэллиптических рессорах, который поворачивает направо. Передние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а задние – при помощи серьги.

Под действием поперечной силы Р_у кузов автомобиля наклоняется, вызывая сжатие левых рессор и распрямление правых. Левая рессора, сжимаясь, перемещает задний мост назад (в точку А ), а правая распрямляясь перемещает его вперед (в точку В ). В результате задний мост поворачивается в горизонтальной плоскости.

Если вследствие крена углы поворота переднего и заднего мостов неодинаковы по величине и направлению, то автомобиль поворачивает, хотя передние колеса относительно балки моста не повернуты. Так, при действии одной и той же силы Р_у один автомобиль (рис. 5, а) повернет вправо, а второй автомобиль (рис. 5, б) – влево.

Возникающая при повороте центробежная сила Р_ц у первого автомобиля направлена противоположно возмущающей силе Р_у , а у второго автомобиля – в ту же сторону, что и Р_у . Поэтому первый автомобиль лучше сохраняет направление движения под действием поперечных возмущающих сил.
По аналогии с шинной поворачиваемостью можно сказать, что первый автомобиль имеет недостаточную поворачиваемость, а второй автомобиль – излишнюю креновую поворачиваемость.

У автомобиля с излишней креновой поворачиваемостью при действии поперечной силы кривизна траектории непрерывно увеличивается. Это приводит к росту центробежной силы и дальнейшему уменьшению радиуса поворота. Однако максимальное значение угла поперечного крена обычно ограничивается упорами, предусмотренными конструкцией подвески.

Креновая поворачиваемость связана с шинной поворачиваемостью, так как увод колеса возникает не только под действием моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (развале).
Если направление поперечной силы совпадает с направлением развала, то увод возрастает. Один градус развала вызывает увод в 10…20 градусов.
У автомобилей с независимой подвеской на поперечных рычагах крен кузова вызывает изменение развала.
При двухрычажной подвеске колеса наклоняются в сторону крена кузова и направления поперечной силы, что увеличивает общий увод моста.
При однорычажной подвеске колеса наклоняются в сторону, противоположную крену кузова и навстречу поперечной силе, при этом общий увод моста уменьшается.

Так как автомобиль, имеющий недостаточную поворачиваемость, обладает большей устойчивостью, то при его конструировании и эксплуатации стремятся обеспечить именно недостаточную поворачиваемость. Поэтому у легковых автомобилей наиболее распространена подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге.
Если сделать наоборот (впереди установить зависимую, а сзади двухрычажную независимую подвеску), то это приведет к резкому ухудшению управляемости автомобиля.

При эксплуатации для сохранения недостаточной поворачиваемости автомобиля при перевозке грузов их размещают так, чтобы их центр тяжести находился ближе к передней оси автомобиля.
Во всех случаях давление воздуха в шинах колес передней оси поддерживают ниже, чем в задних шинах, а в случае вынужденного использования шин разной конструкции следует более жесткие шины устанавливать на заднюю ось, а менее жесткие – спереди.

Автомобиль с излишней поворачиваемостью может вообще потерять управляемость. Из формулы (3) получим:

При прямолинейном движении автомобиля δ₁ = δ₂ = θ = , ρ_э = ∞ и обе части уравнения (3) равны нулю.
Если на автомобиль кратковременно подействует боковая сила (например, порыв ветра), то возникает большой увод колес. В этом случае в уравнении (3) δ₁ > , δ₂ > и δ₂ > δ₁ (автомобиль имеет излишнюю поворачиваемость), θ = , следовательно,

ρ_э = L/ ( δ₂ – δ₁ ) ρ_э , и возникнет центробежная сила Р_ц , которая будет поддерживать колеса в состоянии увода и после прекращения действия исходной возмущающей силы (в данном случае – порыв ветра).

Допустим, что сила Р_ц параллельна силам боковых реакций R_у1 и R_у2 дороги на колеса автомобиля. Такое допущение основывается на том, что после возникновения центробежная сила Р_ц и радиус поворота ρ_э достаточно велик.
Тогда из уравнения равновесия автомобиля следует (рис. 6)

Центробежная сила Р_ц и боковые силы Р_у1 , Р_у2 действуют на колеса со стороны балок мостов, вызывая увод шин:

На основании отношения (1) и с учетом уравнений (5) и (6) получим:

где k_ув1 и k_ув2 – коэффициенты сопротивления боковому уводу шин переднего и заднего мостов соответственно.

Из полученных уравнение следует, что при повышении скорости движения углы увода возрастают, причем угол δ₂ растет быстрее угла δ₁ . Это вызывает уменьшение правой части выражения (5), которая при определенной так называемой критической скорости v_ув оказывается равной нулю. При этой скорости автомобиль может двигаться криволинейно, хотя его управляемые колеса находятся в нейтральном положении.
Если скорость больше v_ув , то ( δ₂ – δ₁ ) > L/ρ_э и угол θ становится отрицательным.
Это означает, что для поворота вправо передние колеса следует повернуть влево.
Таким образом, автомобиль с излишней поворачиваемостью теряет управляемость, если его скорость больше критической.

Из выражений (5), (7) и (8) определяется критическая скорость автомобиля по условиям управляемости:

У автомобилей с недостаточной или нейтральной поворачиваемостью критическая скорость vув отсутствует, так как при δ₂ δ₁ подкоренное выражение отрицательно, а при δ₂ = δ₁ оно равно бесконечности.

ОСТОРОЖНО, ПОВОРОТ!

Кандидат технических наук Д. ЗЫКОВ.

У каждой машины свой характер, порой очень капризный. Чаще всего он проявляется при прохождении поворотов на высокой скорости. Один автомобиль точно “слушается” руля, другой “сопротивляется”, третий стремится повернуть больше, чем надо. Характер автомобиля выражается еще и в том, как быстро он реагирует на управляющее воздействие — немедленно или с небольшим запаздыванием. Словом, ответная реакция автомобиля не всегда адекватна действиям водителя.

Если при повороте управляемых колес одно из них (или оба) начинает проскальзывать, автомобиль перестает “слушаться” руля и сходит с намеченной траектории. Чаще всего он продолжает двигаться по касательной к ней или попадает в занос (задняя ось как бы обгоняет переднюю). Может произойти и потеря курсовой устойчивости, тогда машина начинает “рыскать” на дороге, и ее приходится “ловить” (постоянно подруливать).

Для практической езды очень важен и такой фактор, как боковой увод шин. Если все колеса одинаковые, то траектория поворота при боковом уводе не меняется, хотя и смещается вперед. В том случае, если боковой увод задних колес больше, чем передних, радиус поворота уменьшается, а это при резких маневрах может привести к заносу и даже к потере управляемости. Если же боковой увод больше у передних колес, то радиус поворота увеличивается (рис. 1, 2). Это тоже опасно, но потеря контроля над машиной маловероятна. Чтобы избежать подобных неприятностей, нужно ставить на автомобиль одинаковые колеса. В крайнем случае разные колеса могут быть на передней и задней оси, но на одной оси оба колеса должны быть одинаковые. Кстати, радиальные шины, у которых в боковом направлении каркас жестче, чем у диагональных, менее склонны к боковому уводу. В любом случае увод будет тем меньше, чем выше давление воздуха в шинах, поэтому в задних колесах оно должно быть на 0,1-0,2 кг/см 2 больше, чем в передних.

Чтобы стабилизировать управляемые колеса, обеспечить их минимальное сопротивление качению и хорошую управляемость автомобиля, нужно их правильно установить. Установка управляемых колес задается углами поперечного и продольного наклона шкворневой оси (ее еще называют осью поворота), углом развала и величиной схождения. Увеличение углов наклона оси поворота заставляет автомобиль быстрее и четче реагировать на повороты рулевого колеса. Угол развала стабилизирует колеса в продольном направлении. Чем он больше, тем выше приподнимается передняя часть машины при повороте колес и тем быстрее она возвращается в исходное положение под действием собственного веса.

В переднеприводных автомобилях ведущие колеса при движении стремятся к схождению, а в автомобилях классической схемы — к расхождению, поэтому величины схождения у них разные: в переднеприводных (ВАЗ-2108,
-2109) — +1 мм, в заднеприводных (ВАЗ-2101 — ВАЗ-2107) — 2-4 мм. Правильная установка углов развала и схождения колес важна не только для улучшения управляемости автомобиля, но и для продления срока службы шин: если углы установлены неверно, шины быстрее и неравномерно изнашиваются.

Углы установки колес проверяют и регулируют не часто, в основном после замены резино-металлических шарниров рычагов и самих рычагов передней подвески, амортизаторных стоек, деталей рулевого механизма, включая рычаги, тяги и поворотные кулаки. После такого ремонта нужно отрегулировать все углы на станции техобслуживания.

Если же в дороге погнется рычаг подвески или рулевая тяга, придется проделать эту работу самостоятельно. Отрегулировать в полевых условиях углы наклона шкворневой оси практически невозможно. А углы развала и схождение колес поддаются проверке и установке и без стенда, правда, дело это трудоемкое. Прежде всего, нужно запастись тонкой, прочной веревкой длиной около 4 метров, грузиком, например гайкой, двумя стандартными спичечными коробками и двумя монетами достоинством 1 рубль (у них толщина 1,5 мм) — вот и все измерительные инструменты.

Для проверки угла развала колес привяжите гайку к веревке — получится отвес. Один спичечный коробок приоткройте и вставьте в отверстие вертикально две монеты, тогда он не закроется и станет на 3 мм длиннее. Перед началом работы постарайтесь поставить машину горизонтально. Приложите пустой коробок к середине боковой поверхности покрышки в верхней части колеса и прислоните к торцу коробка отвес. Другой коробок (с рублями) прижмите к покрышке в нижней части колеса. Если шнур отвеса касается нижнего коробка или проходит от него на расстоянии 2-3 мм (в ту или другую сторону), то регулировать угол развала не нужно (рис. 3). Если же шнур отходит от коробка дальше, угол развала следует установить, воспользовав шись руководством по эксплуатации.

Чтобы проконтролировать схождение колес, зацепите веревку за детали передней подвески и обведите ее спереди вокруг переднего колеса на уровне оси. Затем, туго натягивая, подведите веревку к заднему колесу, на котором также на уровне оси приложите плашмя два сложенных лицевыми поверхностями спичечных коробка (рис. 4). Если веревка одновременно коснется боковины передней покрышки и коробков на задней, то ехать можно. Если веревка, коснувшись боковины передней покрышки, к коробкам на заднем колесе не прилегает, то схождение нужно уменьшить, а если прилегает к коробкам, но не касается передней покрышки, колеса нужно свести. Работе могут помешать выпуклые декоративные колпаки, тогда снимите их или проводите измерения на 5-8 см выше либо ниже оси.

Такой приблизительный метод измерения поможет вовремя подкорректировать установку колес, чтобы не “сжевать” покрышки до конца пути. Точно отрегулировать углы развала и схождение управляемых колес можно только на станции техобслуживания.

Раймпель Й. Шасси автомобиля. Рулевое управление. М.: Машиностроение, 1987.

Цыбин В. С., Галашин В. А. Легковые автомобили . М.: Просвещение, 1996.

Колеса и шины. Краткий справочник. М.: За рулем, 1997.