Что такое стабилизация управляемых колес автомобиля
Устойчивость движения автомобиля во многом зависит от того, насколько стабильно держат управляемые колеса заданный курс движения автомобиля.
Если на управляемые колеса будет действовать какой-нибудь мгновенный боковой импульс (наезд колеса на местную микронеровность), то под действием этого импульса колеса повернутся на небольшой угол. После исчезновения импульса положение колес должно автоматически восстановиться.
Стабилизацией управляемых колес называется их свойство сохранять нейтральное положение, заданное им при прямолинейном движении и автоматически возвращаться в него.
Стабилизация управляемых колес достигается упругостью резины шин (упругая стабилизация) или путем наклона шкворней рулевой трапеции.
Упругая стабилизация
Упругий стабилизирующий момент шины создаётся при повороте управляемого колеса вследствие смещения результирующей боковых сил, действующих в месте контакта шины с дорогой, относительно центра контактной площадки.
Во время увода колеса к передней части контакта с дорогой приближаются элементы шины, менее деформированные в поперечном направлении.
Из контакта с дорогой элементы шины выходят в более деформированном состоянии. Поэтому элементарный составляющие поперечной реакции Rу в передней части контакта меньше, чем в задней, и эпюра элементарных поперечных реакций имеет форму, близкую к треугольнику (рис. 1).
Боковая реакция Rу , являющаяся равнодействующей элементарных боковых реакций, прикладывается на расстоянии е от центра контактной площадки и создает упругий стабилизирующий момент шины:
Стабилизирующий момент шины достигает значительной величины у легковых автомобилей, которые имеют высокоэластичные шины и перемещаются с большой скоростью.
Упругий стабилизирующий момент шины резко уменьшается на скользких, обледенелых дорогах.
Стабилизация наклоном шкворней
Стабилизирующий момент Мст не всегда в результате упругости шин и не при всех условиях движения оказывается достаточным для обеспечения оптимальной стабилизации колес. Он значительно снижается на скользкой дороге и при действии на колесо продольных сил.
Дополнительно стабилизирующие моменты получают в результате наклонного расположения осей шкворней. Осью шкворня условно называют ось, относительно которой поворачивается поворотная цапфа управляемого колеса.
У большинства современных автомобилей каждый шкворень наклонен как в продольной, так и в поперечной плоскостях.
Если ось шкворня пп (рис. 2, а) наклонить в вертикальной плоскости поперек качения колеса на угол β , то при повороте колеса под действием случайного возмущающего импульса оно должно опуститься ниже плоскости дороги (на рисунке штрихпунктирной линией показан условный поворот колеса вокруг шкворня на угол 180˚), приподнимая автомобиль над поверхностью дороги.
При этом сила тяжести автомобиля, приходящаяся на переднюю ось на плече а образует стабилизирующий момент, называемый весовым . Плечо а и плечо обкатки – расстояние между точкой пересечения с дорогой центра беговой дорожки колеса и точкой пересечения с дорогой оси шкворня.
Для облегчения управления автомобилем (чаще всего переднеприводных) плечо обкатки делают отрицательным (рис. 2, б). При малых углах поворота стабилизирующее действие от поперечного наклона шкворня невелико, поэтому при движении автомобиля с высокими скоростями весовой стабилизирующий момент практически не возникает.
Поэтому чтобы добиться стабилизации управляемых колес в этих условиях шкворни наклоняют и в продольной плоскости колеса на угол γ (рис. 3).
Если возмущающий импульс вызовет увод колес автомобиля и он станет поворачиваться, то на автомобиль начинает действовать поперечная составляющая Ру центробежной силы, которая вызовет боковую реакцию дороги Rу в точке контакта колес с дорогой. Сила же Ру на шкворне, возникшая вследствие действия центробежной силы, будет приложена перпендикулярно плоскости качения колеса и совместно с реакцией Rу создаст пару сил с плечом с, которая будет стремиться вернуть колесо в нейтральное положение.
Так как на величину стабилизирующего момента оказывает влияние центробежная сила, которая зависит от квадрата скорости движения, то этот стабилизирующий момент также будет зависеть от скорости движения, поэтому он называется скоростным стабилизирующим моментом.
При очень эластичных шинах, создающих эффективную упругую стабилизацию колес, угол продольного наклона шкворня делают равным нулю, чтобы не усложнять управление автомобилем.
Развал и схождение управляемых колес
На управляемость автомобиля также оказывают влияние наклоны управляемых колес: развал колес и их схождение.
Шарнирное соединение управляемых колес с балкой моста или кузовом автомобиля подразумевает наличие зазоров в местах этих соединений. В результате при нагрузке автомобиля или по мере износа шкворневых соединений (шаровых опор и т. п.) плоскость качения колеса при движении автомобиля может оказаться наклоненной к плоскости дороги внутрь.
В этом случае колеса будут стремиться катиться по сходящимся траекториям, и будет иметь место качение колес с некоторым боковым проскальзыванием, что вызовет повышенный износ шин и расход топлива.
Однако предварительный развал вызывает стремление колес катиться по расходящимся траекториям, что также приводит к изнашиванию шин. Этот недостаток компенсируется установкой колес со схождением, т. е. установкой их под некоторым углом к продольной оси автомобиля так, чтобы плоскости их качения пересекались впереди автомобиля. Можно сказать, что схождение является следствием установки колес с развалом.
Схождение колес определяется разностью расстояний А и Б (рис. 4, б) спереди и сзади моста на уровне его оси.
В таблице 1 приведены значения параметров установки управляемых колес некоторых отечественных автомобилей.
Таблица 1. Значения параметров установки развала и схождения различных автомобилей
Управление машиной значительно облегчается, если управляемые колеса обладают хорошей стабилизацией, то есть способностью сохранять (само устанавливаться) нейтральное положение, соответствующее прямолинейному движению, и возвращаться к нему после отклонения. Благодаря стабилизации уменьшаются колебания управляемых колес и нагрузки, действующие на рулевое управление. Стабилизации управляемых колес способствуют следующие три фактора:
1) боковой наклон шкворней поворотных цапф;
2) продольный наклон шкворней поворотных цапф;
При боковом наклоне шкворней поворотных цапф (рис.13) всякое отклонение управляемых колес вызывает некоторый подъем передней оси. Будучи выведенным из нейтрального положения, колесо стремиться само установиться, то есть занять исходное (нейтральное) положение под действием веса части автомобиля, приходящегося на переднюю ось, что способствует сохранению положения управляемых колес, соответствующего прямолинейному движению автомобиля.
α Рис. 13. Схема стабилизации управляемого
колеса за счет поперечного наклона
При продольном наклоне шкворня (рис.14) кинематика управляемого колеса аналогична рояльному колесу. Момент от боковой силы Rz при повороте всегда стремиться вернуть его в нейтральное положение: Мстаб. = Rz а = Rz rк sinγ. Угол продольного наклона шкворней поворотных цапф γ обычно не превышает 2,5 0 , а для многих современных автомобилей равен 0.
v Рис. 14. Схема стабилизации управляемого
колеса за счет наклона шкворня в
продольной плоскости.
Сами колеса машин также имеют установочные углы, называемые углами развала β и схода.
Угол развала β переднего управляемого колеса предназначен:
1) предотвратить возможность обратного наклона колеса под действием весовой нагрузки за счет выборки зазоров и деформаций в деталях передней оси и передней подвески;
2) создать осевую составляющую от силы веса для удержания колеса на оси поворотной цапфы (поджатие колеса к опорному коническому подшипнику);
3) снизить нагрузку в рулевом приводе и уменьшить усилие на рулевом колесе за счет уменьшения плеча с1 (рис.15-а).
с А v
а) б)
Рис.15. Развал (а) и схождение (б) управляемых колес.
Угол развала β управляемых колес для современных автомобилей не превышает 1,5…4 0 (рис.15-а). Однако наклон колеса к поверхности качения вызывает боковой увод его в сторону наклона (по аналогии качения детского обруча): левый наклон вызывает увод налево, правый наклон – направо. При этом происходит частичное проскальзывание наклоненных к вертикальной плоскости колес, сила сопротивления качению увеличивается, а износ шин возрастает.
Наличие угла схода (сходимость колес в горизонтальной плоскости) снижает напряжения в зоне контакта колес с опорной поверхностью, вызванные развалом. Наличие угла сходимости колес вызывает их качение с боковым уводом, причем угол увода равен углу сходимости. Установлено, что наименьшие напряжения в зоне контакта шины с опорной поверхностью будут иметь место в том случае, если угол сходимости составляет 0,15…0,20 от угла развала. Для современных автомобилей степень сходимости управляемых колес оценивается разностью расстояний сзади В и впереди А колес по отношению к направлению вектора скорости v движения автомобиля (рис.15-б): В – А = 1…4 мм.
Автомобиль, имеющий хорошую стабилизацию управляемых колес, автоматически сохраняет прямолинейное движение в заданном направлении без затраты усилий со стороны водителя. Отклонение колес от нейтрального положения, вызванное дорожными неровностями, у этих автомобилей быстро гасятся в результате автоматического возвращения колес к нейтральному положению.
Предусмотренные для каждой конструкции углы установки шкворней и колес должны строго выдерживаться, иначе неизбежно ухудшение управляемости и повышенный износ шин.
Контрольные вопросы и задания.
12. Что такое коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью? От чего он зависит и что определяет?
13. Как зависят опорно-сцепные свойства автомобиля от характера распределения его веса по осям?
14. Как влияют конструктивные параметры шины на проходимость автомобиля?
15. Что такое опорно-сцепная проходимость автомобиля? Перечислите параметры, её определяющие.
16. Что такое профильная проходимость автомобиля? Перечислите параметры, её определяющие.
Рекомендуемая литература
1. Чудаков Е.Д. Теория автомобиля. М.:Машгиз, 1940.
2. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под общей редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова. – М.: Машиностроение, 1985.- 456 с.
3. Автомобильные двигатели / Под редакцией М.С.Ховаха.- М.: Машиностроение, 1977.- 591 с.
4. Основы теории и конструкции автомобиля / М.Д.Артамонов и др.- М.: Машиностроение, 1974.
5. Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля. Учебное пособие М.: Колос, 1996.- 287 с.
6. Богатырев А.В., Корабельников А.Н., Чумаков А.В. Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы. Часть 1. Двигатели.-М.: МГАУ, 2000.-80 с.
7. Дипломное проектирование /. Под ред. В.В. Будько – М.: Высшая школа, 1985.
8. Чернышев В.А. Тягово-динамический расчет автомобиля. - Учебное пособие М.: МГАУ им.В.П.Горячкина, 1994.
9. Богатырев А.В., Корабельников А.Н., Чумаков А.В. Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы. Часть 1. Двигатели.-М.: МГАУ, 2000.-80 с.
Самостоятельные работы студентов
Тема:Поперечная устойчивость автомобиля.
Задание. Определить минимально необходимую ширину колеидля машины, при которой обеспечивается её статическая поперечная устойчивость на косогоре с углом 30 0 . Высота центра тяжести машины равна 700 мм.
Тема: Устойчивость автомобиля на повороте.
Задание. Спрогнозировать характер движения (штатное движение, боковое скольжение или опрокидывание) автомобиля массой 1,5 т, осуществляющего поворот на радиусе 100 м со скоростями 30 и 60 км/ч, если известно, что ширина его колеи В = 2 м; высота центра тяжести hg = 650 мм; коэффициент сцепления шин с опорной поверхностью φ = 0,85 (сухое асфальтовое покрытие). Оценить характер движения автомобиля на этом же повороте в условиях мокрого асфальта (φ = 0,3).
Техническое состояние ходовой части автомобиля во многом предопределяется правильной установкой углов управляемых колес, которые выполняют определенные функции при движении автомобиля. Для уменьшения сопротивления движению, а значит и расхода топлива, а также изнашивания шин и подвески, путем снижения действующих на них динамических нагрузок, управляемые колеса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля.
Важным фактором повышения устойчивости автомобиля является стабилизация управляемых колес, т.е. стремление колес вернуться после поворота в положение, соответствующее прямолинейному движению автомобиля. С учетом перечисленных факторов для правильной установки колес автомобилей необходимо соблюдать углы развала, схождения, продольного и поперечного наклона оси, а также разность внутреннего и наружного углов поворота управляемых колес.
Полный контроль и регулировка углов установки управляемых колес производится только на легковых автомобилях, имеющих независимую подвеску передних колес и шины с низким давлением воздуха. Для легковых автомобилей даже небольшие отклонения (15. 20') от нормы углов развала колес и наклона оси значительно влияют на изнашивание шин и ухудшают устойчивость автомобиля.
Углы управляемых колёс. Назначение, устройство.
Описание Автомобиль должен быть устойчивым во время прямолинейного движения, во время движения в повороте колёса должны катиться без проскальзывания, после поворота автомобиль должен возвращаться к прямолинейному движению, динамические нагрузки, передаваемые на детали подвески должны быть максимально ослаблены.
Для выполнения этих требований колёса автомобиля устанавливают под определёнными углами, а конструкция и кинематика подвески выбирается исходя из основного назначения автомобиля (рис.1).
Рисунок 1. Углы установки колёс
В общем случае под углами установки колёс понимают следующие пять параметров:
2. продольный наклон оси поворота;
3. поперечный наклон оси поворота;
4. схождение колёс (угол схождения колёс, расхождение колёс);
5. соотношение углов поворота и углы недоворота колёс.
Если хотя бы один из пяти параметров имеет отклонение от нормы, то появляются следующие неисправности:
1. проскальзывание колёс при движении в поворотах;
2. недостаточная устойчивость автомобиля во время движения;
3. затруднённый возврат рулевого колеса в нейтральное положение;
4. ускоренный износ шин.
Передние колёса автомобиля устанавливаются с отклонением плоскости вращения колеса от вертикальной плоскости. Угол отклонения плоскости вращения колеса от вертикали называется углом развала. Если верхняя часть колеса отклонена наружу, то угол развала считается положительным. Если верхняя часть колеса отклонена внутрь, то угол развала считается отрицательным. В прошлом колёса автомобиля устанавливались с положительным углом развала для увеличения долговечности ступичного узла и обеспечения перпендикулярного расположения колёс относительно выпуклой поверхности дороги.
На современных автомобилях обеспечена требуемая долговечность ступичных узлов, а профиль дороги выполняется плоским, поэтому необходимость установки колёс с положительным развалом отпала. Угол развала современных автомобилей приближается к нулю (ряд моделей имеет нулевой угол развала колёс). Наблюдается тенденция к установке колёс легковых автомобилей с отрицательным углом развала для улучшения поворачиваемости автомобилей (рис. 2)
Рисунок 2. Сход - развал колёс.
Обратить внимание на то, если угол развала колеса отличается от установленного значения (положительного или отрицательного), то это приводит к неравномерному износу протектора. Если колёса автомобиля установлены с большим отрицательным углом развала, то изнашивается внутренняя часть беговой дорожки протектора; если колёса автомобиля установлены с большим положительным углом развала, то изнашивается наружная часть беговой дорожки протектора.
Если к колесу, установленному с развалом, приложена вертикальная нагрузка, то возникает боковое усилие. Если угол развала отрицательный, то боковое усилие от действия вертикальной силы направлено к центру автомобиля; если угол развала положительный, то это усилие направлено от центра автомобиля. Во время поворота на скорости кузов автомобиля накреняется в сторону, противоположенную центру поворота. Угол развала колеса смещается в сторону положительных значений, что приводит к уменьшению боковой силы.
Установка колеса с отрицательным углом развала предотвращает нежелательное увеличение "положительного" развала и позволяет сохранить высокое значение боковой силы во время поворота автомобиля (рис. 3).
Рисунок 3. Отрицательный и положительный угол развала.
Во время поворота автомобиля угол развала наружного от центра поворота колеса увеличивается в сторону положительных значений, что уменьшает значение центростремительной силы.
Центробежная сила, действующая на автомобиль во время поворотов, вызывает боковой крен кузова. Крен кузова приводит к изменению развала колёс.
Поворот автомобиля на скорости всегда сопровождается действием центробежной силы, которая уравновешивается действием центростремительных сил. Центростремительная сила образуется силами трения в результате упругой деформации и бокового скольжения шин относительно дороги. Эти силы действуют перпендикулярно плоскости вращения колеса и называются боковыми силами (рис. 4).
Рисунок 4. Изменение развала колёс во время поворотов.
При установке колеса с нулевым развалом устраняется неравномерный износ протектора. Установка колёс с отрицательным или положительным развалом приводит к неравномерной деформации шин и появлению неравномерного износа краёв протектора. В случае нулевого развала неравномерного износа протектора не наблюдается (рис. 5)
Рисунок 5. Установка колеса с нулевым развалом.
Причины установки колёс с положительным развалом (рис. 6):
1. Уменьшение радиальной нагрузки
Если колесо установлено с нулевым развалом, то радиальная нагрузка подшипников ступицы соответствует усилию F’. Если же колесо установлено с положительным развалом, то радиальная нагрузка, передаваемая на подшипники и цапфу, будет соответствовать усилию F.
Это уменьшает изгибающий момент, действующий на поворотную цапфу или поворотный кулак.
2. Устранение люфта подшипников
Усилие F, воспринимаемое колесом, можно разделить на две составляющие: F1 и F2. Усилие F2 действует по оси колеса. Оно как бы прижимает колесо к центру автомобиля. Эта составляющая устраняет люфт в подшипниках колёс.
3. Предотвращение нежелательного отрицательного развала колёс
Установка колеса с положительным углом развала предотвращает нежелательный поворот колеса в сторону отрицательных углов развала, вызванный деформацией рычагов подвески и резинометаллических шарниров под действием веса автомобиля.
4. Снижение усилия поворота колёс
Подробные пояснения приводятся при рассмотрении поперечного угла наклона оси поворота.
Рисунок 6. Установка колеса с положительным развалом
Продольный наклон оси поворота образуется вертикальной плоскостью (рис. 7), перпендикулярной продольной оси автомобиля, и осью поворота.
Продольный наклон оси поворота измеряется в углах. Если ось поворота наклонена назад относительно вертикали, то продольный угол наклона считается положительным, если ось поворота наклонена вперёд, то угол считается отрицательным. Расстояние между точкой пересечения оси поворота с поверхностью дороги до центра пятна контакта колеса определяет плечо боковой силы, действующей во время поворота.
Угол продольного наклона оси поворота влияет на устойчивость прямолинейного движения автомобиля, а плечо, образованное в результате продольного наклона оси поворота, обеспечивает возврат управляемых колёс в нейтральное положение после завершения поворота.
Обратить внимание на то, что с увеличением положительного угла наклона оси поворота повышается устойчивость прямолинейного движения, но затрудняется поворот автомобиля.
Рисунок 7. Продольный наклон оси поворота
Если ось поворота колеса имеет продольный наклон, то при повороте колеса появляется крутящий момент, стремящийся приподнять кузов автомобиля.
Этот приподнимающий момент препятствует повороту колёс и обеспечивает устойчивость прямолинейного движения автомобиля (рис. 8)
Рисунок 8. Устойчивость прямолинейного движения за счёт продольного наклона оси поворота.
Если ось поворота колеса имеет продольный наклон оси поворота, то точка пересечения оси поворота с поверхностью дороги находится вне пятна контакта колеса (смещена вперёд по направлению движения) (рис. 9). Если на колесо начинает действовать боковая сила, то эта сила создаёт момент, стремящийся повернуть колесо вокруг оси поворота и уравновесить действие боковой силы. За счёт этого достигается устойчивость движения автомобиля.
При повороте рулевого колеса в пятне контакта начинают действовать боковые силы (F2 и F' 2). Если ось поворота колеса имеет продольный наклон, то боковые силы создают крутящий момент, стремящийся вернуть колёса в положение движения по прямой.
Чем больше угол продольного наклона оси поворота, тем больше плечо боковых сил и тем больше стабилизирующий момент. Таким образом с увеличением угла продольного наклона оси поворота повышается устойчивость прямолинейного движения и улучшается стабилизация управляемых колёс.
Рисунок 9. Стабилизация управляемых колёс за счёт продольного наклона оси поворота.
Для увеличения плеча боковой силы необходимо увеличивать угол продольного наклона оси
Поворота (рис. 10). Однако плечо боковой силы можно изменить и без изменения продольного наклона оси поворота за счёт смещения центра колеса.
За счёт смещения центра колеса за ось поворота можно увеличить плечо действия боковой силы. За счёт смещения центра колеса вперёд относительно оси поворота можно уменьшить плечо действия боковой силы. Смещение центра колеса относительно оси поворота применяется для коррекции характеристик подвески.
Рисунок 10. Смещение центра колеса относительно оси поворота.
Ось, вокруг которой происходит поворот колеса при повороте рулевого колеса, называется осью поворота (рис. 11, 12). Ось поворота колеса находится соединением центра верхней опоры амортизаторной стойки и центра шарового шарнира нижнего рычага (рассматривается подвеска типа "Мак-Ферсон").
Угол между осью поворота колеса и вертикальной плоскостью, параллельной продольной оси автомобиля, называет углом поперечного наклона оси поворота. Если смотреть со стороны передней части автомобиля, то ось поворота наклонена внутрь автомобиля. Угол поперечного наклона оси поворота измеряется в градусах.
Расстояние "L" между точкой пересечения оси поворота с поверхностью дороги и центром пятна контакта называется плечом обкатки.
Рисунки 11, 12. Ось поворота колеса.
Назначение поперечного наклона оси поворота
1.Снижение усилия поворота колёс (рис. 13)
Во время поворота колесо поворачивается относительно оси поворота, причём радиус поворота колеса равен плечу обкатки. Чем больше плечо обкатки, тем больше сопротивление повороту колёс, вызванное моментом сопротивления перекатыванию.
Для уменьшения усилия, необходимого для поворота колёс, следует уменьшать плечо обкатки.
Имеется два способа уменьшения плеча обкатки:
1. Установка колеса с положительным углом развала
2. Придание оси поворота с поперечного наклона.
Рисунок 13, 14. Назначение поперечного наклона оси поворота
Смягчение ударов при наезде на препятствия и предотвращение бокового увода автомобиля (рис. 14)
Если плечо обкатки колеса очень большое, то тяговые или тормозные силы колеса создают момент относительно оси поворота, причём величина этого момента пропорциональна плечу обкатки.
Наезд колеса на препятствие вызовет удар на рулевом колесе. Для смягчения ударов на рулевом колесе и предотвращения бокового увода автомобиля необходимо уменьшить плечо обкатки. Если углы поперечного наклона осей поворота левого и правого колёс отличаются друг от друга, то автомобиль будет уводить в ту сторону, с которой угол поперечного наклона меньше (с этой стороны плечо обкатки больше).
Схождением колёс называется разность расстояний, измеренных между точками колёс, лежащими на высоте центров колёс, спереди и сзади. Угол отклонения колёс в горизонтальной плоскости называется углом схождения. Если расстояние между колёсами спереди меньше, чем расстояние между колёсами сзади, то колёса установлены с положительным схождением. В противном случае схождение колёс отрицательно (колёса установлены с расхождением).
Рисунок 15. Схождение колёс.
Раньше схождение предназначалось для обеспечения параллельного качения колёс, установленных с положительным развалом. Если колёса установлены с положительным углом развала, то они стремятся катиться по расходящимся дугам. Для устранения этого явления колёса устанавливали с положительным схождением. В связи с установкой колёс современных автомобилей с отрицательным углом развала и совершенствованием конструкции шин и подвески необходимость в установке колёс со схождением существенно сократилась. Назначение схождения колёс современных автомобилей - в обеспечении устойчивости прямолинейного движения.
Если автомобиль двигается по косогору, то кузов накреняется на одну сторону. При этом автомобиль стремиться повернуть в ту же сторону. Если передние колёса автомобиля установлены с положительным схождением, то автомобиль будет стремиться повернуть в сторону, противоположенную той, в которую накренился кузов. За счёт этого обеспечивается устойчивость прямолинейного движения автомобиля.
Обратить внимание на то, что, если колёса установлены со слишком большим схождением, то это приводит к боковому скольжению (уводу) шин и неравномерному износу протектора. Если велико отрицательное схождение колёс (колёса установлены с расхождением), то это приводит к неустойчивости прямолинейного движения автомобиля.
Если плоскость вращения колеса не совпадает с направлением скорости автомобиля, то качение шины сопровождается боковым скольжением или уводом. В случае установки колёс с положительным схождением или отрицательным развалом боковое скольжение колёс направлено от центра автомобиля.
Радиус поворота автомобиля определяется углами поворота передних управляемых колёс. Для того, чтобы исключить проскальзывание шин во время поворота, правое и левое управляемые колёса должны быть повёрнуты на разные углы.
Рассмотрим пример с автомобилем, у которого поперечная рулевая тяга находится за передней осью. Если поворотные рычаги такого автомобиля параллельны продольной оси автомобиля, то во время поворота углы поворота левого и правого колеса будут одинаковы. Каждое из передних колёс имеет свой центр поворота (01 и 02) (рис. 16 и 17). При этом, несмотря на то, что радиусы поворота колёс одинаковы (r1= r2)одно из колёс будет вынужденно катиться с боковым скольжением.
Рисунки 16, 17. Радиус поворота автомобиля.
Если поворотные рычаги установлены не параллельно продольной оси автомобиля, то левое и правое колесо повернутся на разные углы (рис. 18 и 19). При этом колёса будут катиться вокруг одного центра поворота (O), но радиусы поворота колёс будут различны (r1 > r2). В этом случае боковое скольжение шин будет отсутствовать.
Если углы поворота управляемых колёс не согласованы друг с другом, то поворот автомобиля будет сопровождаться проскальзыванием шин. Боковое скольжение шины вызывает неравномерный износ протектора.
На управляемые колеса при движении автомобиля всегда действуют силы, стремящиеся отклонить их от заданного водителем направления. Устойчивость движения автомобиля обеспечивается стабилизацией управляемых колес, т. е. их способностью без участия водителя возвращаться в нейтральное положение, соответствующее прямолинейному движению.
Стабилизация управляемых колес достигается за счет установки шкворней, соединяющих поворотные цапфы с колесами, под углом к вертикали в поперечной и продольной плоскостях.
Шкворни устанавливают в поперечной плоскости под некоторым углом α к вертикали ( рис. 1,а ).
При такой установке шкворней поворот управляемых колес в любую сторону от нейтрального положения сопровождается подниманием балки моста. Этому препятствует вес автомобиля, стремящийся удержать мост в нижнем положении и повернуть колеса в обратном направлении. Возникающий таким образом стабилизирующий эффект зависит от веса автомобиля, угла поперечного наклона шкворней α и плеча обкатки а .
Этот стабилизирующий эффект можно сравнить с явлением самопроизвольно закрывающейся или открывающейся двери - при определенном положении шарниров навеса двери на косяке она будет стремиться к закрыванию, а при наклоне навесов в другой плоскости - дверь будет самопроизвольно открываться, если ее не придерживать.
При повороте автомобиля дополнительный стабилизирующий эффект создается за счет наклона шкворней в продольной плоскости на угол β ( рис. 1,б ). Этот наклон шкворня обычно называют кастер (или кастор).
Кастер - угол между вертикалью и проекцией оси поворота колеса на продольную плоскость автомобиля. Продольный наклон обеспечивает самовыравнивание управляемых колёс за счёт скорости автомобиля и трения качения колеса с опорной поверхностью (дорогой).
Боковая реакция дороги на колесо приложена в точке опорной поверхности, находящейся на одной вертикали с центром колеса или даже дальше благодаря эластичности шины. Произведение этой силы на плечо bβ образует момент, стремящийся вернуть колесо в начальное положение.
При качении управляемого колеса сила сопротивления качению создает на плече с ( рис. 1,в ) момент сопротивления повороту, вследствие чего увеличивается усилие на рулевом колесе.
Чтобы снизить этот момент, плоскость управляемых колес устанавливают под углом γ к вертикали. Этот угол называют углом развала колес. Наличие развала уменьшает плечо с и тем самым облегчает управление автомобилем.
Кроме того, при этом колесо поджимается к внутреннему подшипнику ступицы, что предотвращает виляние колеса в случае появления зазоров в подшипниках ступицы.
При качении колеса, плоскость которого отклонена от вертикали, да еще при наличии эластичной шины возникает боковой увод. Для его компенсации оба колеса устанавливают под углом схождения (сокращенно – схождение, сход колес) в горизонтальной плоскости.
Обычно схождение определяют как разность расстояний В и А ( рис. 1,г ) и замеряют в миллиметрах:
Простая логика подсказывает, что колеса автомобиля должны быть установлены строго вертикально и параллельно направлению движения, поскольку именно в таком положении сопротивление качению колес и износ шин наименьшие. Тем не менее, если провести несложные измерения на примере одного или нескольких машин, можно убедиться, что это не так – чаще всего колеса (особенно управляемые), устанавливаются под различными углами к вертикальной и горизонтальной проекциям автомобиля.
И можно не сомневаться, что такая установка колес не является причиной какой-либо неисправности ходовой части или рулевого управления, а трезвым замыслом конструкторов и разработчиков автомобиля.
Для чего и зачем это нужно? К сожалению, далеко не каждый водитель и даже специалист по ремонту автомобилей способен полноценно ответить на этот вопрос.
Давайте попробуем разобраться в этом любопытном феномене и понять – полезна автомобилю эта конструкторская идея, или является плодом чрезмерной фантазии инженеров?
Сначала окунемся в историю.
Если кому-либо приходилось внимательно рассматривать древнюю колесную технику, наверняка замечали, что колеса, например, карет или конных повозок, пушечных лафетов и др. имели заметный развал, т. е. устанавливались с наклоном наружу (положительный развал) или внутрь (отрицательный развал) от вертикальной оси. Впрочем, если даже и замечали, но особого значения этим странностям не придавали, объясняя их тем, что транспорт достаточно древний, технологии в зачаточном состоянии, и обеспечить строгую вертикальность колесам не представлялось возможным, да и не требовалось.
Но, оказывается, это далеко не всегда соответствует истине – уже в давние времена углы установки колес в виде положительного или отрицательного развала использовались для определенных целей.
Так, например, считалось, что во время быстрого движения кареты или повозки грязь от положительно разваленных колес будет отлетать в стороны, не забрызгивая экипаж и пассажиров. Тихоходные телеги наоборот оснащались колесами с отрицательным развалом, поскольку при медленном движении брызги и грязь от колес не разлетались далеко, зато при повреждении элементов крепления колеса оно дольше удерживалось на оси, не соскакивая, что позволяло вовремя заметить неисправность и устранить ее.
Можно привести и другие примеры. В частности, отрицательный развал огромных колес на азиатских арбах объясняется тем, что таким образом существенно возрастает устойчивость транспортного средства, поскольку увеличивается колесная база. Это достаточно полезно с учетом того, что с увеличением диаметра колес центр тяжести арбы смещается вверх, снижая устойчивость против опрокидывания.
Орудийные лафеты имели колеса с положительным развалом для того, чтобы артиллеристам удобнее было накатывать орудие за колеса руками сбоку, не опасаясь отдавить ноги.
Как видите, углам установки колес транспортных средств уделялось внимание уже с давних пор, при этом назначение этих углов отличалось в каждом конкретном случае. Но, конечно же, перечисленные выше причины развала колес у древних повозок, карет и других колесных средств передвижения отличаются от причин, по которым колеса современных автомобилей устанавливаются под различными углами к вертикали и горизонтали.
Правильные углы установки колес - один из важнейших факторов, обеспечивающих нормальную управляемость, стабильность и устойчивость автомобиля при прямолинейном движении и при маневрировании. Оптимальные для каждой модели параметры геометрии подвески закладываются на этапе проектирования. Заданные значения углов установки колес подвержены изменению и требуют периодической регулировки по причине естественного износа узлов и элементов ходовой части или после ремонта подвески.
Назначение углов установки колес
Корректно настроенная геометрия подвески позволяет автомобилю более эффективно воспринимать силы и моменты, возникающие в зоне (пятне) контакта колеса с дорожной поверхность во время различных режимов движения. Этим обеспечивается предсказуемое поведение автомобиля на дороге: стабильность движения по прямой, устойчивость в поворотах, стабилизация при разгонах и торможении.
Также благодаря отсутствию излишнего сопротивления качению колес, возникающего при неправильной их ориентации к плоскости качения, происходит более равномерный износ шин, что позволяет увеличить срок их службы.
Заданные производителем значения углов установки колес являются оптимальными для каждого конкретного автомобиля, соответствуют его назначению, особенностям конструкции и настройки подвески. Однако, в случае необходимости, конструктивно предусмотрена возможность их изменения либо регулировки. При этом количество параметров, которые можно регулировать для каждого автомобиля, индивидуально.
Развал колес
Отклонение значений угла развала от нормы оказывают следующее влияние на движение автомобиля:
Слишком большой отрицательный угол развала благотворно влияет на устойчивость автомобиля в поворотах, однако при этом существенно ухудшается сцепление колес с дорогой при прямолинейном движении и имеет место повышенный износ внутренней стороны шин.
Слишком большой положительный угол развала тоже обеспечивает хорошее сцепление колес с дорогой, но при этом ухудшается устойчивость в поворотах и имеет место повышенный износ наружной стороны шин.
Развал – параметр, который отвечает за ориентацию колеса относительно дорожного покрытия. Мы помним, что в идеале они должны быть перпендикулярны друг другу, т.е. развала быть не должно. Тем не менее, у большинства дорожных автомобилей он есть. В чем суть конструкторской идеи?
До недавнего времени наблюдалась тенденция именно разваливать колеса, т.е. придавать углам развала положительные значения. Установка колес с положительным развалом объяснялась стремлением перераспределить нагрузку между внешним и внутренним ступичными подшипниками. Считалось, что при положительном угле развала колес большая часть нагрузки приходится на внутренний подшипник, который проще выполнить более массивным и прочным. В результате выигрывает долговечность подшипникового узла.
Это объяснение справедливо только для идеальной ситуации – прямолинейного движения автомобиля по абсолютно ровной дороге. При маневрах и проезде неровностей, даже самых незначительных, подшипниковый узел испытывает динамические нагрузки, которые на порядок превышают статические силы. Да и распределяются они не совсем так, как предполагает положительный развал колес.
Иногда пытаются толковать положительный развал как дополнительную меру, направленную на уменьшение плеча обкатки (см. ниже), что способствует уменьшения усилий при манипуляции рулем. Однако такой способ воздействия далеко не самый удачный. Он сопряжен с одновременным изменением ширины колеи и включенного угла наклона оси поворота колеса, что негативно сказывается на устойчивости и управляемости автомобиля.
На выбор величины развала также оказывает влияние профилирование дорожного полотна, которое в поперечном сечении имеет выпуклый профиль. Чтобы в этом случае колесо оставалось перпендикулярным к опорной поверхности, ему нужно придать небольшой положительный угол развала.
В последние годы колеса большинства серийных автомобилей в статике устанавливаются с отрицательным развалом. Дело в том, что на первый план выходит задача обеспечения их наилучшей устойчивости и управляемости.
Развал, также, является параметром, который оказывает определяющее влияние на так называемую боковую реакцию колес. Именно она противодействует центробежным силам, действующим на автомобиль в повороте, и способствует его удержанию на криволинейной траектории.
Однако то, что хорошо для гоночных болидов, не всегда приемлемо для серийных автомобилей. Чрезмерный отрицательный развал вызывает повышенный износ внутренней зоны протектора. С увеличением наклона колеса сокращается площадь пятна контакта. Сцепление колес при прямолинейном движении уменьшается, в свою очередь снижается эффективность ускорения и торможения.
На способность автомобиля удерживать прямолинейную траекторию избыточный отрицательный развал влияет так же, как и недостаточное схождение - автомобиль становится излишне чувствителен к манипуляциям рулем. Виновна в этом все та же тяга развала.
Чтобы обеспечить автомобилю хорошую устойчивость, недостаточно в статике сделать углы развала отрицательными. Конструкторы подвески должны добиться, чтобы колеса сохраняли оптимальную (или близкую к ней) ориентацию на всех режимах движения.
Выполнить это непросто, поскольку при маневрах любые изменения положения кузова, сопровождающиеся смещением элементов подвески (клевки, боковые крены и т.д.), приводят к существенному изменению развала колес. При этом чем больше диапазон ходов подвески, тем больше изменение развала в движении.
Схождение колес
Различают суммарное и индивидуальное схождение.
Индивидуальное схождение рассчитывается отдельно для каждого колеса. Это отклонение плоскости его вращения от продольной оси симметрии автомобиля.
Суммарное схождение рассчитывается как сумма индивидуальных углов схождения левого и правого колес одной оси. Аналогично определяется суммарное схождение в миллиметрах.
Отклонение значений угла схождения от нормы оказывают следующее влияние на движение автомобиля:
Слишком большой отрицательный угол схождения затрудняет удержание заданной траектории движения, поскольку приводит к повышенной реакции автомобиля на манипуляции рулевым управлением, а также к повышенному износу шины с внутренней стороны.
Слишком большой положительный угол схождения тоже приводит к повышенной чувствительности автомобиля к манипуляции рулевым управлением, а также к повышенному износу шины с наружной стороны.
Обычно необходимость схождения колес объясняют наличием (следствием) развала. Это не совсем правильное объяснение, поскольку схождение продиктовано несколькими факторами, влияющими на управляемость и устойчивость автомобиля в движении.
При качении наклоненного колеса в пятне контакта действительно присутствует боковая сила, которую мы упомянули выше - тяга развала.
Известно несколько факторов, обусловливающих необходимость схождения колес.
Во-первых, предварительно выставленным схождением компенсируется влияние продольных сил, действующих на колесо при движении автомобиля. Характер и результат этого влияния зависят от многих обстоятельств - ведущее колесо или свободно катящееся, управляемое, или нет, от кинематики и эластичности подвески.
В случае подвески с большой податливостью (что характерно, например, для рычажных конструкций с эластичными втулками) результат многократно возрастет. Если колесо не только свободно катящееся, но и управляемое, ситуация усложняется.
За счет появления у колеса дополнительной степени свободы та же сила сопротивления оказывает двоякое воздействие. Момент, изгибающий переднюю подвеску, дополняется моментом, стремящимся развернуть колесо вокруг оси поворота. Разворачивающий момент, величина которого зависит от расположения оси поворота, воздействует на детали механизма рулевого управления и вследствие их податливости также влияет на изменение схождения колеса в движении.
В зависимости от плеча обкатки разворачивающий момент может быть положительным или отрицательным. То есть он может либо усиливать расхождение колес, либо противодействовать этому. Если не принять все это во внимание и установить изначально колеса с нулевым схождением, в движении они займут расходящееся положение.
Последствия этого характерны для случаев нарушения регулировки схождения - повышенный расход топлива, пилообразный износ протектора шин и ухудшение управляемости автомобиля.
При выборе величины схождения наряду с компенсацией продольных сил учитывают и другие факторы, которые вносят поправки в конечный результат.
Один из наиболее важных факторов - обеспечение оптимальной управляемости автомобиля. С ростом скоростей движения и динамичности автомобилей этот фактор приобретает все большее значение.
Управляемость - понятие многогранное, поэтому стоит уточнить, что схождение колес наиболее ощутимо влияет на стабилизацию прямолинейной траектории автомобиля и его поведение на входе в поворот. Наглядно это влияние можно пояснить на примере управляемых колес.
Допустим, при прямолинейном движении на одно из управляемых колес оказывается случайное возмущающее воздействие от неровности дороги. Возросшая сила сопротивления поворачивает колесо в направлении уменьшения схождения. Через рулевой механизм воздействие передается на второе колесо, схождение которого, наоборот, увеличивается. Если изначально колеса имеют положительное схождение, сила сопротивления на первом колесе уменьшается, а на втором - растет, что противодействует возмущению.
Когда схождение равно нулю, противодействующий эффект отсутствует, а когда оно отрицательное - появляется дестабилизирующий момент, способствующий развитию возмущения. Автомобиль с такой регулировкой схождения будет рыскать по дороге, что недопустимо для обычного дорожного автомобиля.
Таким образом, статические параметры схождения, которые приведены в регулировочных данных, представляют собой некий конструкторский компромисс между желанием сэкономить на топливе и резине и добиться оптимальных для автомобиля характеристик управляемости.
Рассмотренные выше углы установки колес - развал и схождение – это параметры, которые определяются для всех колес автомобиля. Далее речь пойдет об угловых характеристиках, которые имеют отношение только к управляемым колесам и определяют пространственную ориентацию оси их поворота.
Известно, что положение оси поворота управляемого колеса автомобиля определяется двумя углами - продольным и поперечным. Попробуем разобраться, почему ось поворота колес не выполняют строго вертикально к поверхности дороги.
Поперечный угол наклона оси поворота колеса
Угол продольного наклона оси поворота колеса
Различают положительный и отрицательный углы продольного наклона оси поворота колеса.
Положительный угол продольного наклона оси поворота колес способствует возникновению дополнительной динамической стабилизации автомобиля при движении на средней и высокой скорости. Однако при этом ухудшается управляемость автомобиля на малой скорости.
Справедливо отмечают, что главная функция кастера – скоростная (или динамическая) стабилизация управляемых колес автомобиля. Стабилизацией в данном случае называют способность управляемых колес сопротивляться отклонению от нейтрального (соответствующего прямолинейному движению) положения и автоматически возвращаться к нему после прекращения действия внешних сил, вызвавших отклонение.
Плечо обкатки
Плечо обкатки - это расстояние между точкой, образованной пересечением оси симметрии колеса и опорной поверхности, и точкой пересечения линии поперечного наклона оси поворота и опорной поверхности.
Плечо обкатки положительное, если точка пересечения поверхности и ось поворота колеса лежат справа от оси симметрии колеса (нулевого плеча), и отрицательное, если располагается слева от него. Если эти точки совпадают - то плечо обкатки считается нулевым.
Данный параметр влияет на стабилизацию и поворачиваемость колеса. Оптимальным значением для современных автомобилей является нулевое либо положительное плечо обкатки. Знак плеча обкатки определяется развалом, поперечным наклоном оси поворота колеса и вылетом колёсного диска.
Автопроизводители не рекомендуют устанавливать колесные диски с нестандартным вылетом, поскольку это может повлечь изменение заданного плеча обкатки на отрицательное значение. Это может негативно сказаться на устойчивости и управляемости автомобиля.
Изменение значений углов установки колес и их регулировка
Углы установки колес подвержены изменениям вследствие естественного износа деталей ходовой части, рулевого управления и подвески, а также после замены колес на новые.
Все без исключения рулевые тяги и наконечники имеют резьбовое соединение, которое позволяет увеличить или уменьшить их длину для регулировки величин углов схождения колес. Схождение задних колес, равно как и передних, регулируется на всех типах подвесок, за исключением задней зависимой балки или моста.
Неправильный сход-развал задних колес на переднеприводном автомобиле оказывает меньшее влияние на его управляемость и неравномерный износ шин, поскольку задняя ось менее нагружена, а колеса являются свободно вращающимися, и спектр внешних сил, действующих на них, существенно меньше, чем для передних ведущих колес.
Читайте также: