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:

  • vз – максимальная (критическая) скорость движения автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу бокового скольжения его колес;
  • vо – максимальная (критическая) скорость движения автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу его опрокидывания;
  • βз – максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается поперечное скольжение колес;
  • βо – 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.

поперечная устойчивость автомобиля

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 ρз 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 ρз 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 Рц, пропорциональная квадрату скорости автомобиля v и его массе m, и обратно пропорциональная расстоянию ρц от центра поворота до центра тяжести автомобиля (радиусу поворота):

Рц = mv2ц     или     Рц = mω2ρц,

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

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

ρц = ρз/cos γ      и      ρз = L/tg θ,

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:

tg θ 0      и      ρз L/0.       (1)

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

Рц = mv2/(ρз cos γ) = mv2θ/(L cos γ).

Поперечная составляющая этой силы:

РуI = Рц cos γ = mv2θ/L.       (2)

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

РуII = mvl2ωук/L.       (3)

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

РуIII = mjl2θ/L,       (4)

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:

Ру = РуI + РуII + РуIII.

силы, действующие на автомобиль при повороте

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

При выходе автомобиля из поворота скорость ωук отрицательна и сила РуII частично уравновешивает силу РуI, и автомобиль может двигаться с большей скоростью без потери устойчивости.

Сила РуIII 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 РуIII отрицательны.

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

Поперечная инерционная сила Ру уравновешивается поперечными реакциями дороги Rу1 и Rу2, 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.

***

Предельные факторы устойчивости автомобиля