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.

Понятие управляемости колесной машины. Боковой увод и поворачиваемость машины.

Управляемостью колесной машины называется совокупность свойств конструкции, обеспечивающих сохранение ее движения по траектории, заданной управляемыми колесами. Управляемость колесной машины зависит от кинематических связей м/у управляемыми колесами, осуществляемых рулевой трапецией, увода колеса, стабилизацией и колебаний управляемых колес. В идеальном случае при повороте вес колеса, вращающегося без бокового скольжения и без боковых деформаций шин показаны на рис. В этом случае мгновенный центр поворота (т.О) находиться на пересечении перпендикуляра к направлению движения всех колес. Передние управляемые колеса отклоняются от нейтрального положения на различные углы α наружный и α внутренний, т.к. при повороте машины они находятся на различных расстояниях от центра поворота при этом должно соблюдаться следующее условие: ctgα_нар.- ctgα_внутр.=2а/L. Соблюдение этого условия обеспечивается рулевой трапецией, конструкция α с достаточным приближением позволяет поворачивать управляемые колеса на неодинаковые углы при больших углах поворота. Если данное условие не соблюдается, т.е. управляемые колеса поворачиваются на равные углы, то движение колесной машины при повороте будет сопровождаться боковым скольжением направляющих колес. В машинах повышенной проходимости, где управляемые колеса одновременно являются и ведущими, толкающие силы передних колес не дают боковых составляющих, стремящихся отклонить колесо от заданного направления.

Боковой увод колеса и поворачиваемость машины. Пневматическая шина при сравнительно небольшом давлении является эластичным элементом. Под действием силы происходит боковая деформация шины, при этом средняя плоскость колеса сместиться на расстояние σш, т.о. колесо будет катиться не под не α углом к своей средней плоскости. Точки 1,2,3,4, отмеченные на продольной оси колеса, в определенный момент времени будут смещаться вправо, оставляя отпечатки на линии 1 ” , 2 “ , 3 ” ,4 ” . Величина угла увода будет возрастать с увеличением боковой силы и будет различной для шин с жестким и мягким кордом. На участке Оа скольжение отсутствует и зависимость можно считать линейной. На участке ав эта зависимость не меняется, ввиду частичного проскальзывания шин. При значении Рб=Gк*φ увод переходит в полное скольжение и зависимость характеризуется горизонтальной линией вс. Между боковой силой и углом увода на участке Оа существует зависимость Рб=Кув.*σув., где σув- угол увода в 0 , Кув – коэф-нт сопротивления боковому уводу шин. Кув изменятся в широких пределах и зависит от конструкции шины, давления в ней, слойности корда, размера и т.д. Боковой увод шин оказывает большое влияние на управляемость ав-ля, т.к. при движении на повороте действие составляющей центробежной силы вызовет боковую деформацию шин. Боковая деформация шин и увод всей машины в сторону возможен и при прямолинейном движении под действием бокового ветра, наклона дороги и т.д. Рассмотрим поворот колесной машины с учетом бокового увода шин. Под действием боковой силы в общем случае углы увода шин передних и задних колес имеют различную величину. Углы увода шин каждой оси можно считать одинаковыми. При повороте машины с жесткими колесами боковой увод отсутствует и машина совершает поворот с радиусом R вокруг мгновенного центра поворота О. Радиус поворота определяется: R=L/tgα. при малых значениях угла поворота tgα=α, следовательно R=L/α. Однако в результате увода шин, движение колес передней и задней осей отклоняются от траектории, по α они бы двигались, в случае отсутствия увода передняя ось машины будет двигаться вдоль вектора υ1, направленного под углом α-σ1 продольной оси машины, а задняя ось вдоль вектора υ2, направленного к оси под углом σ2. Мгновенный центр поворота машины переместиться при этом в т.О1, лежащую на пересечении перпендикуляра к векторам скорости υ1 и υ2, а радиус поворота определяется по формуле: R ” =L/(tg(α-σ1)+tgσ2). Учитывая, что углы увода передней и задней оси не значительны, и средний угол поворота на больших скоростях также не велик то можно считать R ” =L/(α-σ1+σ2). Если углы увода передних и задних колес равны, то боковой увод шин не оказывает значительного влияния на радиус поворота и его величина не изменяется, но смещается мгновенный центр поворота. Если угол увода σ1>σ2, то и R ” >R, при одновременном смещении центра вращения поворот будет осуществляться по более пологой кривой, чем при жестких колесах. Если σ1 ” ” =R, то машина обладает нейтральной или нормальной поворачиваемостью. 2. σ1>σ2, то и R ” >R, то авто обладает недостаточной поворачиваемостью. 3. σ1 ”

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.