Продольная устойчивость автомобиля

Продольное опрокидывание возможно только у автомобиля с очень короткой базой и высоким расположением центра тяжести. Большинство современных автомобилей имеют низкое расположение центра тяжести и опрокидывание в продольной плоскости маловероятно. Имеет место лишь продольное скольжение, вызванное буксованием ведущих колес, что более вероятно для автопоездов.

В связи с этим показателем продольной устойчивости автомобиля является критический угол подъема по буксованию (α_б).

Для определения критического угла подъема по буксованию рассмотрим равномерное движение автомобиля на максимальном подъеме (рис. 10.3), так как разгон на нем невозможен. В этом случае скорость движения автомобиля небольшая, поэтому силой сопротивления воздуха Р_в можно пренебречь. При этом сцепление ведущих колес с дорогой полностью используется касательной реакцией дороги (R_x1 = Р_сц = R_z2φ_x), а касательной реакцией дороги на передних колесах пренебрегаем, так как она мала по сравнению с касательной реакцией R_x2.

Из условий равновесия автомобиля следует, что R_z2L= Gh_цsinα+ Gl₁cosα; R_x2 = Gsinα. Максимальное значение касательной реакции дороги на ведущих колесах автомобиля ограничено сцеплением колес с дорогой: R_x2 = R_z2φ_x.

После подстановки в это выражение значений реакций R_z2 и R_x2 и, разделив обе части уравнения на cosα, учитывая в данном случае, что α = α_б можно определить критический угол подъема по буксованию для одиночных автомобилей и автопоездов соответственно:

h_кр – высота расположения буксирного крюка.

Критический угол подъема по буксованию – предельный угол, при котором еще возможно движение автомобиля на подъеме без буксования ведущих колес.

Рисунок 10.3 – Определение максимального угла подъема по буксованию

Критический угол подъема по буксованию во многом зависит от коэффициента сцепления φ_х. Для автомобиля со всеми ведущими колесами критический угол подъема по буксованию: tgα_б = φ_х.

Контрольные вопросы

1.Что является признаком нарушения устойчивости автомобиля?

2. Какими показателями оценивается поперечная устойчивость автомобиля?

3.Что характеризуют критические скорости автомобиля по заносу и опрокидыванию?

4. Что характеризуют критические углы косогора по боковому скольжению и опрокидыванию?

5. Что определяет коэффициент поперечной устойчивости автомобиля?

6. Что такое вираж и для чего его создают на поворотах дорог?

9.Что может произойти с автомобилем при нарушении продольной устойчивости и какими показателями это оценивается?

2.Потеря какого вида устойчивости автомобиля при эксплуатации наиболее вероятна и опасна?

Устройство автомобилей

Продольная устойчивость автомобиля

Под продольной устойчивостью автомобиля подразумевается максимальный угол преодолеваемого подъема без буксования колес, вызывающего сползание автомобиля.
Продольное опрокидывание автомобиля через передний или задний мост – событие маловероятное из-за большого плеча вертикальной составляющей силы тяжести. Такое опрокидывание может иметь место лишь при чрезвычайно нерациональном расположении груза на автомобиле, что может привести к чрезмерному подъему центра тяжести над поверхностью дороги или значительном смещении центра тяжести к одному из мостов или даже за его пределы к передней или задней части кузова.
Эти ситуации не характерны для нормальных условий эксплуатации автомобилей, поэтому расчеты условий опрокидывания автомобиля через передний или задний мост, как правило, не выполняются.

Условие сползания рассмотрим для автомобилей с одним ведущим мостом и с двумя ведущими мостами (со всеми ведущими колесами).

Заднеприводный автомобиль

Для одиночного автомобиля с задними ведущими колесами, находящегося на грани сползания, уравнение моментов, действующих на автомобиль относительно точек О и О₁ (рис. 1) имеет вид:

Исходя из условий равновесия ( P_φ = G sin α ) имеем:

где L – база автомобиля (расстояние между мостами).

Из этих уравнений получаем угол наклона α , при котором автомобиль будет находится на грани сползания (неустойчивое равновесие):

Уравнения (1) — (4) составлены без учета сил сопротивления воздуха, качению и инерции. Из уравнения (4) следует, что продольная устойчивость автомобиля с задней ведущей осью увеличивается, если центр тяжести расположен ближе к задней оси (увеличивается расстояние l₁ ), если уменьшить базу автомобиля L или увеличить высоту центра тяжести h_ц , а также при увеличении коэффициента φ_x сцепления шин с дорогой.

Переднеприводный автомобиль

Составив уравнение моментов для переднеприводного автомобиля, преодолевающего подъем, и произведя с ним аналогичные действия, что и для заднеприводного автомобиля, получим критический угол подъема:

Анализ этого уравнения показывает, что для переднеприводного автомобиля критический угол подъема по условиям буксования будет увеличиваться с ростом l₂ (со смещением центра тяжести ближе к переднему мосту) и уменьшением высоты центра тяжести h_ц . Увеличение базы L , так же, как и для заднеприводного автомобиля, приведет к уменьшению критического угла подъема.

Практический опыт эксплуатации автомобилей в условиях преодоления крутых затяжных подъемов показал, что заднеприводные автомобили справляются с такой задачей значительно лучше благодаря увеличению нагрузки на ведущий мост при подъеме.
У переднеприводных автомобилей наоборот, при подъеме нагрузка на передний (ведущий) мост уменьшается, что приводит к снижению способности преодолевать препятствие. По этой причине некоторые водители переднеприводных автомобилей даже используют для преодоления затяжного подъема движение задним ходом, расположив, таким образом, ведущий мост сзади автомобиля.

Полноприводный автомобиль

Для двухосного автомобиля со всеми ведущими колесами уравнение продольной устойчивости примет вид:

Сопоставляя уравнения (1) и (6) получим величину критического угла подъема α для полноприводного автомобиля:

Таким образом, критический угол по продольному сползанию полноприводного автомобиля зависит только от коэффициента φ_x сцепления шин с дорогой.

Устройство автомобилей

Устойчивость автомобиля

Факторы, вызывающие нарушение устойчивости автомобиля

Во время движения на автомобиль действуют не только управляющие силы со стороны водителя, корректирующие направление его перемещения по дороге, но и различного рода случайные силы, вызванные различными причинами, и стремящимися изменить направление движения автомобиля. К этим причинам относятся, например, неровности дороги и ее наклон, боковые порывы ветра, инерционные силы, обусловленные прохождением поворота и т. п.
Следует отметить, что некоторые из этих сил могут действовать на автомобиль и во время стоянки, пытаясь вывести его из состояния равновесия. В результате действия всех этих сил автомобиль может потерять устойчивость. При этом различают устойчивость поперечную и продольную.

Нарушение поперечной устойчивости проявляется в боковом скольжении колес или опрокидывании автомобиля в плоскости, перпендикулярной продольной оси.
Нарушение продольной устойчивости проявляется в буксовании колес, вызывающее сползание автомобиля при преодолении им крутого подъема. Опрокидывание автомобиля в продольной плоскости маловероятно и практически невозможно, поскольку у современных автомобилей центр тяжести располагается достаточно низко.

Поперечная устойчивость автомобиля

Показатели поперечной устойчивости

Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможная скорость при его движении на повороте данного радиуса и угол поперечного наклона дороги (косогора), при котором автомобиль потеряет устойчивость. Оба показателя могут быть определены из условия поперечного скольжения колес (заноса) и опрокидывания автомобиля.
Таким образом, имеются четыре показателя поперечной устойчивости:

• v_з – максимальная (критическая) скорость движения автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу бокового скольжения его колес;
• v_о – максимальная (критическая) скорость движения автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу его опрокидывания;
• β_з – максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается поперечное скольжение колес;
• β_о – максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается опрокидывание автомобиля.

Силы, действующие на автомобиль при повороте

При движении автомобиля на повороте его поперечная устойчивость может быть нарушена в результате действия инерционных сил, направленных перпендикулярно к продольной оси автомобиля. Чтобы определить эти силы рассмотрим схему, показанную на рисунке 1.
При расчетах будем считать, что автомобиль является плоской фигурой и движентся по горизонтальной дороге, а шины в поперечном направлении не деформируются.

На участке 1 – 2 автомобиль движется прямолинейно и его ведущие колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2 – 3 водитель поворачивает управляемые колеса, и автомобиль начинает двигаться по кривой переменного радиуса (первой переходной кривой). На участке 3 – 4 положение колес, повернутых на угол θ , остается неизменным, так же, как и радиус ρ_з траектории середины заднего моста. На участке 4 – 5 (второй переход кривой) водитель поворачивает управляемые колеса в обратном направлении (выравнивает их вдоль оси автомобиля), и радиус ρ_з постепенно увеличивается. На участке 5 – 6 автомобиль снова движется прямолинейно.

При равномерном движении на участке 3 – 4 (кривая постоянного радиуса) из центра поворота О через центр тяжести автомобиля на него действует центробежная сила Р_ц , пропорциональная квадрату скорости автомобиля v и его массе m , и обратно пропорциональная расстоянию ρ_ц от центра поворота до центра тяжести автомобиля (радиусу поворота):

где ω – угловая скорость автомобиля при повороте: ω = v/ρ_ц .

Расстояние ρ_ц от центра тяжести автомобиля до центра поворота О можно определить из геометрического соотношения (см. рис. 1):

где L – расстояние между передней и задней осями автомобиля (база).

При больших скоростях движения потеря устойчивости автомобиля наиболее опасна из-за вероятности заноса и даже опрокидывания. А так как в этих случаях угол поворота управляемых колес θ незначителен, то им можно пренебречь, тогда:

Таким образом, центробежная сила, стремящаяся откинуть автомобиль от центра поворота, при равномерном движении может быть определена по формуле:

Р_ц = mv 2 /(ρ_з cos γ) = mv 2 θ/(L cos γ) .

Поперечная составляющая этой силы:

При равномерном движении (переходные кривые на рис. 1) на автомобиль действует также сила Р_уII , вызванная изменением кривизны траектории. Поперечная составляющая этой силы пропорциональна скорости v автомобиля и угловой скорости ω_ук управляемых колес. Величина этой угловой скорости зависит от скорости движения: чем больше скорость, тем быстрее приходится поворачивать колеса, чтобы вписаться в поворот:

В случае неравномерного движения на автомобиль действует еще и сила Р_уIII :

где j – ускорение движения автомобиля.

Таким образом, поперечная инерционная сила, вызывающая занос и опрокидывание автомобиля при движении на повороте, в общем случае может быть определена по формуле:

Сила Р_уII действует только в процессе поворота рулевого колеса. При входе автомобиля в поворот сила Р_уII положительна и вместе с силой P_уI она увеличивает вероятность заноса и опрокидывания автомобиля.

При выходе автомобиля из поворота скорость ω_ук отрицательна и сила Р_уII частично уравновешивает силу Р_уI , и автомобиль может двигаться с большей скоростью без потери устойчивости.

Сила Р_уIII увеличивается с увеличением угла θ и ускорения j автомобиля. Поэтому во время вхождения автомобиля в поворот нарушение его устойчивости будет наиболее вероятно при разгоне, чем при движении накатом, когда ускорение j и сила Р_уIII отрицательны.

В результате поворота автомобиля вокруг центра тяжести возникает инерционный момент М_и , который пропорционален угловому ускорению и моменту инерции автомобиля.

Поперечная инерционная сила Р_у уравновешивается поперечными реакциями дороги R_у1 и R_у2 , действующими на колеса автомобиля. Инерционный момент влияет на перераспределение этих реакций, но так как это влияние на устойчивость автомобиля сравнительно невелико, то его можно не учитывать при расчетах.

Устойчивость автомобиля. Опрокидывание и его причины

Устойчивость – это совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения автомобильного транспортного средства (АТС) или его звеньев.

Признаком потери устойчивости является скольжение АТС или его опрокидывание. В зависимости от направления скольжения или опрокидывания АТС различают поперечную и продольную устойчивость.

Во время движения автомобиль имеет инерцию, а в момент начала поворота, помимо центробежной силы возникает дополнительная поперечная сила (составляющая сила инерции), направленная в том же направлении, что и центробежная сила. При очень большой скорости движения и резком повороте (поперечная составляющая сила инерции и центробежная) суммарная сила может привести даже к опрокидыванию автомобиля.

Поперечная сила С стремится нарушить устойчивость автомобиля, а сила G стремится удержать его в устойчивом положении. Колеса образуют крайние опоры автомобиля, а центр тяжести (ЦТ) расположен на равном удалении от правого и левого колес и на определенной высоте hn от поверхности дороги. Чем выше центр тяжести и уже колея автомобиля, тем больше он подвержен опасности опрокидывания.

Рис. Схема сил влияющих на поперечную устойчивость автомобиля

Опрокидывание автомобиля

Опрокидывание автомобиля может произойти как в продольной, так и в поперечной плоскости.

Опрокидывание в продольной плоскости относительно задней оси происходит в момент, когда сила давления передних колес на дорогу уменьшается до нуля. Практически до начала опрокидывания наступает буксование колес на подъеме, автомобиль сползает назад вследствие недостаточного сцепления колес с дорогой.

Возможно переворачивание автомобиля вперед при резком торможении на крутом спуске, если автомобиль имеет короткую базу и высоко расположенный центр тяжести. В данном примере возникшая сила инерции складываясь с горизонтальной составляющей силы веса, дает результирующую силу, которая выходит за пределы опорной площади передней оси автомобиля. Известны случаи опрокидывания автомобиля назад, когда при движении задним ходом автомобиль съезжает в овраг, реку и т. п.

Рис. Продольное опрокидывание автомобиля на спуске во время торможения

При движении автомобиля по дороге, имеющей поперечный уклон, возникает боковая сила, равная поперечной составляющей от веса автомобиля. Эта сила может вызвать опрокидывание автомобиля или его скольжение вбок. Устойчивость автомобиля к опрокидыванию в этом случае зависит от колеи автомобиля высоты расположения центра тяжести и угла поперечного наклона дороги.

Рис. Схема сил, действующих на автомобиль при движении на дороге, имеющей поперечный уклон

Чем выше расположен груз, тем больше высота расположения центра тяжести, следовательно, тем вероятнее опрокидывание грузового автомобиля. Чем шире колея автомобиля, тем более устойчив автомобиль как при движении на повороте, так и при движении по дороге, имеющей поперечный уклон.

Опрокидывание автомобиля в поперечной плоскости, т.е. вбок, может произойти под действием центробежной силы на повороте, при резком повороте рулевого колеса на большой скорости, сильном боковом наклоне и вследствие неправильного закрепления груза в кузове.

Неправильная укладка груза в кузове может значительно изменить положение центра тяжести, сместив его как вбок, так и вверх. Характерным примером может служить цистерна, не заполненная целиком жидким грузом. Под влиянием центробежной силы жидкий груз смещается к одной стороне цистерны, центр тяжести смещается вверх и в сторону, а сила тяжести, удерживающая автомобиль от опрокидывания, действует уже не по оси автомобиля а смещается в сторону перемещения центра тяжести.

Рис. Смещение центра тяжести жидкого груза под действием центробежной силы

Причины опрокидывания автомобиля

• при высокой скорости движения на крутых поворотах, на неблагоустроен­ных дорогах, где поперечный уклон направлен в сторону, противоположную повороту
• вследствие резкого прекращения бокового заноса при толчке заднего колеса о камень или другое препятствие
• при резком повороте рулевого колеса на большой скорости
• при неравномерном расположении груза в кузове автомобиля или его перемещении на повороте

Чтобы избежать опрокидывания, нужно на опасных участках дороги снизить скорость, плавно повернуть рулевое колесо, плавно тормозить, равномерно разместить и хорошо закрепить груз в кузове автомобиля.