Свойство автомобиля при движении на повороте

Лекция 9

Управляемость автомобилем

Под управляемостью автомобиля понимается его способность точно сохранять заданное направление движения, а при соответствующем воздействии изменять его по требуемой траектории. Первое свойство называется курсовой устойчивостью, а второе – поворотливостью (поворачиваемостью) автомобиля. Чем лучше управляемость, тем с большей скоростью водитель может вести автомобиль, тем больше может быть средняя скорость движения.

Качественно управляемость автомобиля можно оценить по степени приближения фактических параметров движения к желательным.

Качественные показатели по степени приближения требуемым количественным показателям:

1. Предельные значения кривизны траектории направляющей точки при круговом движении автомобиля, т.е. минимальный радиус кривизны. Управляемость автомобиля тем лучше, чем меньше кривизна траекторий, по которым могут двигаться однотипные точки сравниваемых автомобилей.

2. Предельные значения скорости изменения кривизны траекторий различных точек автомобиля. Управляемость автомобиля тем лучше, чем больше предельная скорость изменения кривизны траектории однотипных характерных точек сравниваемых автомобилей.

3. Количество энергии, затрачиваемой на управление автомобилем при заданной траектории направляющей точки. Чем меньше энергии затрачивается на управление, тем лучше управляемость автомобиля.

4. Числовые значения отклонения траектории направляющей точки и направления фактического движения от заданных и частота повторяемости отклонений.

Хорошая управляемость автомобиля повышает безопасность движения, что особенно важно в связи с ростом скоростей движения и количеством автомобилей на дорогах.

Причинами нарушения управляемости могут явиться как внешние факторы, зависящие от условий движения, так и внутренние, зависящие от конструкции и технического состояния автомобиля.

Внешние факторы, вызывающие нарушение курсовой устойчивости: неровности и поперечный уклон дороги, боковой ветер, неодинаковость сопротивления качению правых и левых колес.

Внутренние факторы, вызывающие нарушение курсовой устойчивости: различные конструктивные параметры автомобиля и их техническое состояние.

Поворот автомобиля с эластичными колесами и условия сохранения управляемости

При качении эластичного колеса автомобиля, нагруженного боковой силой, отпечаток на дорожном покрытии повернется относительно плоскости колеса, и оно будет двигаться не в плоскости своей симметрии, а под углом d к ней (рис). Угол поворота d называют углом увода колеса. При движении автомобиля боковая сила может быть центробежной при повороте, может быть ветровой нагрузкой или составляющей силы веса автомобиля при его движении по дороге, имеющей поперечный уклон.

Результаты большого числа экспериментов, проведенных в различных странах различными исследователями, показали, что зависимость между углом увода и боковыми силами в общем случае нелинейна. При малых углах увода изменение отношения Р_б/d сравнительно невелико и может считаться постоянным (Р_б/d = К_у= const), а зависимость Р_б= f(d), следовательно, линейной. Отношение Р_б/d получило название коэффициента сопротивления уводу.

Коэффициент сопротивления уводу К_у зависит от большого числа факторов, основным из них являются: размеры и конструкция колеса; давление воздуха в шине; величина сил, действующих на колесо; скорость движения; тип и состояние дорожного покрытия; форма траектории движения центра колеса (прямолинейная, криволинейная, кривизна траектории и скорость ее изменения по времени или пути); характер приложения сил, действующих на колесо, и скорость изменения этих сил.

Для шин легковых автомобилей отечественных марок коэффициент сопротивления уводу К_у имеет порядок значения 360, 470 Н/град.

При движении автомобиля с жесткими колесами центр его поворота определяется точкой О (рис) пересечения прямых, являющихся продолжениями осей колес, а расстояние от этой точки до продольной плоскости симметрии автомобиля определяет радиус поворота R. Этот радиус поворота равен

где α – средний угол поворота управляемых колес.

При повороте автомобиля с эластичными колесами под действием центробежной силы возникает увод каждого колеса, что приводит к смещению центра поворота. Центр поворота О¹ в этом случае будеи\т лежать на пересечении перпендикуляров, восстановленных из середины переднего и заднего мостов к направлению их движения. Направление движения задней оси будет отклоняться от средней плоскости автомобиля на угол увода d_в, а направление движения передней оси – на угол увода d_А.

Радиус поворота R автомобиля в этом случае можно определить из схемы (на рис) из соотношений:

Из уравнения () следует, что величина действительного радиуса поворота R зависит не только от среднего угла α поворота управления колес, а также и от соотношения между углами увода передней и задней осей.

Из уравнения видно, что может быть три случая движения автомобиля:

1. Углы увода передней и задней осей равны (=). В этом случае радиус поворота определяется выражением:

т.е. он будет приблизительно равен радиусу поворота автомобиля с жесткими колесами.

2. Угол увода передней оси больше угла увода задней оси (). В этом случае:

Т.е. радиус поворота автомобиля с эластичными колесами больше радиуса поворота автомобиля с жесткими колесами;

3. Угол увода передней оси меньше угла увода задней оси (). В этом случае:

Т.е. радиус поворота автомобиля с эластичными колесами будет меньше радиуса поворота автомобиля с жесткими колесами.

Выводы. В соответствии с этим автомобиль, имеющий угол увода передней оси больше, чем задней, называют обладающим свойством недостаточной поворачиваемости, а автомобиль, у которого угол увода передней оси меньше чем задней – обладающим свойством излишней поворачиваемости.

Автомобили, обладающие излишней и недостаточной поворачиваемостью, по-разному ведут себя при прямолинейном движении.

Если автомобилю с излишней поворачиваемостью и движушемуся прямолинейно приложить боковую силу Р_б, то из-за бокового увода колес траектория его движения изменится. Автомобиль начнет двигаться по окружности с центром, расположенным в точке О (рис). Центробежная сила инерции Р_ц, как видно из рис., будет направлена в ту же сторону, что и боковая сила Р_б,. Это еще увеличит углы увода, уменьшит радиус поворота, а следовательно, увеличит центорбежную силу, что снова приведет к увеличению углов увода и т.д. Если при этом водитель не изменит положения управляемых колес для увеличения радиуса поворота, то может начаться занос задней оси автомобиля.

Составляя схему действия боковой силы и центробежной сил на автомобиль с недостаточной поворачиваемостью и движущ9ийся прямолинейно, можно показать, что центробежная сила Р_ц будет направлена противоположно действующей силе Р_б Это приведет к уменьшению углов увода и выравниванию направления движения автомобиля.

Из формулы () следует, что при движении автомобиля с неповернутыми управляемыми колесами (угол α=0) возможен случай, когда произойдет поворот автомобиля и начнется его движение по траектории с радиусом

Физический смысл явления может быть объяснен тем, что при кратковременном действии боковой силы из-за увода колес, автомобиль начинает двигаться по кривой. Возникающая центробежная сила Р_ц увеличивает этот увод и в дальнейшем даже при прекращении действия кратковременной силы, вызывает движение по кривой все уменьшающегося радиуса. Боковая сила может возникнуть из-за порыва ветра, наклона дороги и т.д., а скорость, при которой начнется движение автомобиля по кривой, получила название критической. Величина центробежной силы, которая действует на повороте при движении автомобиля с критической скоростью, будет равна:

.

Отсюда критическая скорость движения будет равна:

Углы увода d_В и d_А могут быть выражены:

где Р_А и Р_В – составляющие центробежной силы, приходящейся на переднюю и заднюю оси автомобиля;

a и b – продольные координаты центра масс автомобиля.

Подставляя эти значения d_В и d_А в выражение для критической скорости, получим:

После преобразования с подстановкой расчетных параметров критическая скорость определится:

где G_A и G_B – составляющие силы веса автомобиля, приходящихся на переднюю и заднюю оси.

Анализ выражений критической скорости позволяет установит, что увеличение продольной базы автомобиля увеличивает его критическую скорость и критическая скорость изменяется в зависимости от распределения силы веса автомобиля по осям и соотношения коэффициентов сопротивления уводу передней и задней осей.

Из основного уравнения критической скорости следует также, что при анализе критической скорости возможны три случая:

1.

В этом случае критическая скорость весьма велика

2.

Мнимые величины, т.е. критическая скорость невозможна вообще (автомобиль с недостаточной поворачиваемостью).

3.

Условие при котором достаточно появление сколь угодно малой силы, чтобы автомобиль потерял управляемость.