Сила боковой инерции автомобиля

Боковые силы, действующие на автомобиль

Управление автомобилем является главной производственной функцией водителя. Основное назначение автотранспортных средств — перемещение грузов и пассажиров в пространстве, поэтому под управляемостью следует понимать целенаправленную организацию процесса движения. При анализе факторов, влияющих на попереч­ную устойчивость автомобиля, необходимо знать величину попе­речной силы, вызывающей занос или опрокидывание автомобиля. В случае движения автомобиля на повороте такой силой является центробежная сила инерции. Для ее определения, рассмотрим схему (рис. 9).

Рисунок 9 — Силы, действующие на автомобиль при повороте

R_xi, R_x2, R_yi, R_y2 — продольные и поперечные реакции дороги на колеса переднего и заднего мостов; Р_и — центробежная сила; Р_у — поперечная составляющая центробежной силы; ρ_ц и ρ₃ — радиусы поворота центра масс и задней оси; θ — угол поворота управ­ляемой оси (приблизительно равен полусумме углов поворота управляемых ко­лес); М_и — момент инерции автомобиля; γ — угол между радиусом ρ_ц поворота центра тяжести и продолжением оси заднего моста

Для упрощения расчетов примем следующие допущения: автомобиль является плоской фигурой; движется по гори­зонтальной дороге; шины в поперечном направлении не дефор­мируются

На участке дороги 1-2 автомобиль движется прямолинейно, и его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2—3 происходит поворот управляемых колес, и автомобиль движется по кривой переменного радиуса, т. е. по первой переходной кривой. На участке 3-4 по­ложение управляемых колес, повернутых на определенный угол θ, остается неизменным, а радиус R траектории движения сред­ней точки задней оси — постоянным. На участке 4-5, т. е. на второй переходной кривой, водитель поворачивает управляемые колеса в обратную сторону, вследствие чего радиус R постепенно увеличивается. На участке 5—6 автомобиль снова движется пря­молинейно.

При равномерном движении по дуге постоянного радиуса центробежная сила (Р_ц) определяется:

(34)

где m – масса автомобиля;

ω — угловая скорость автомобиля при повороте;

ρ — расстояние от центра поворота до центра тяжести автомо­биля.

; ; (35)

где V – линейнаяскорость автомобиля.

Потеря устойчивости автомобилем особенно опасна при боль­шой скорости, когда движение его близко к прямолинейному. Угол θ при этом сравнительно невелик и можно считать, что tg θ ≈ θ рад.

Таким образом, центробежная сила (Р_ц), действующая на автомо­биль при его равномерном движении, определяется:

(36)

Поперечная составляющая центробежной силы (Р_у1) равна:

(37)

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

(38)

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

(39)

где j — ускорение движения автомобиля.

Таким образом, поперечная инерционная сила (Р_у), вызывающая за­нос и опрокидывание автомобиля при движении на повороте, пред­ставляется как:

(40)

Сила Р_у11 действует только в процессе поворота рулевого колеса. При входе автомобиля в поворот сила P_yII положительна и вместе с силой P_yI она увеличивает опасность 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_уШ увеличивается с увеличением угла θ и ускорения j ав­томобиля. Поэтому во время вхождения автомобиля в поворот нарушение его устойчивости более вероятно при разгоне, чем при движении накатом, когда ускорение j и сила Р_уШ отрицательны.

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

Поперечная инерционная сила P_у уравновешивается попереч­ными реакциями дороги R_yl и R_vJ на колеса автомобиля. Инерцион­ный момент М_п влияет на перераспределение этих реакций, но так как это влияние на устойчивость автомобиля сравнительно невели­ко, то его можно не учитывать.

В курсовом проекте следует определить и построить графические зависимости:

— поперечная составляющая центробежной силы Р_у1;

— поперечная составляющая силы, вызванной изменением кривизны траектории Р_у2;

— сила Р_у3, вызванная ускоренным движением при прохождении поворота.

Рисунок 10 — Графики зависимости поперечной составляющей центробежной силы Р_у1 от среднего угла поворота управляемых колес при различных скоростях движения автомобиля

Величина составляющей центробежной силы, вызванной изменением кривизны траектории Р_у2, определяется скоростью поворота управляемых колес и скоростью движения автомобиля. В реальных условиях эксплуатации угловая скорость поворота управляемых колес грузовых автомобилей находится в пределах 0,01 – 0,1 рад/сек. Исходя из этого, в соответствии с формулой (38) определить зависимости Р_у2 и скорости поворота управляемых колес автомобиля при различных скоростях движения автомобиля.

Рисунок 11 — Графики зависимости составляющей силы Р_у2, вызванной изменением кривизны траектории при различных скоростях движения

Сила, вызванная изменением скорости движения автомобиля на повороте Р_у3, определяется ускорением и углом поворота управляемых колес. Ускорение для грузового автомобиля, составляет от 0,05 до 0,5 м/с 2 . В соответствии с выражением (39) определены зависимости Р_у3 и скорости поворота управляемых колес автомобиля при различных углах поворота колес.

Рисунок 12 — Графики зависимости силы Р_у3, вызванной изменением скорости движения при различных углах поворота управляемых колес автомобиля

Плавность хода

На плавность хода и некоторые другие эксплуатационные свойства автомобиля большое влияние оказывают колебания колес и жестко связанных элементов (рис. 13)

Рисунок 13 – Колебательная система автомобиля

К подрессоренным массам относят:

m_в – масса водителя и пассажиров в кабине;

m_тпд – масса кузова тягача (включает массу полезной нагрузки) и рамы с укрепленным на ней двигателем, агрегатов трансмиссии и управления;

m_ппд – масса рамы полуприцепа с укрепленными на ней элементами (включает массу полезной нагрузки, расположенной на грузовой платформе полуприцепа).

К неподрессоренным массам относятся массы переднего и заднего мостов тягача (m_т1нп и m_т2нп) и моста полуприцепа m_пнп.

Неподрессоренные массы автомобиля:

где m_зм – масса заднего моста, кг;

m_пм – масса переднего моста, кг;

n – количество колес;

m_к – масса колеса в сборе с шиной, кг.

Подрессоренные массы автомобиля:

Обычно у легковых автомобилей в любом весовом состоянии для задней и передней подвесок m_нnq/ m_nq> 4; для грузовых автомобилей это соотношение выполняется для задней подвески, без нагрузки – m_нnq/ m_nq -1 .

Таблица 15 – Статический прогиб подвески автомобиля

Тип автомобилей	Статический прогиб подвески
передней	задней
легковые	15…25 см	7,5…10 см
грузовые	12…18 см	7…12 см

В расчетах принимаем коэффициент распределения подрессоренных масс ε_y=1.

Частоты свободных колебаний подрессоренных масс определяются из выражения:

Ω₀=1/2π·√g/f _ст,Гц. (45)

Техническая частота п_к – число колебаний в минуту

Подвеску автомобиля можно считать удовлетворительной, если значения показателей плавности и вибрации соответствуют приведенным в табл.16.

Таблица 16 – Характеристика подвески автомобиля по показателям плавности и вибрации

Тип автомобиля	Подрессоренные массы	Неподрессоренные массы
Частота свободных колебаний, Гц	Техническая частота, мин -1	Частота свободных колебаний, Гц	Техническая частота, мин -1
легковые	0,8-1,3	50-78	8-12	500-750
грузовые	1,2-1,8	75-110	6,5-9	400-550

Проходимость автомобиля

Проходимостью называется эксплуатационное свойство, определяющее возможность движения автомобиля в ухудшенных дорожных условиях, по бездорожью и при преодолении различных препятствий.

Проходимость делится на профильную и опорную.

Источник статьи: http://infopedia.su/18×6278.html

Сила инерции

Второй силой, оказывающей влияние на движение автомобиля, является сила сопротивления разгону, т. е. сила инерции – Ри*.
* Инерция – естественное свойство окружающих нас тел препятствовать любой причине, стремящейся сообщить им движение или изменить состояние движения.
Сила инерции появляется всегда, когда изменяется скорость движения автомобиля. И ее величина тем больше, чем больше общая масса автомобиля. Действует эта сила на все его части, а также на груз и пассажиров. Изменяется в процессе движения автомобиля. Увеличивается скорость движения, увеличивается и сила инерции, препятствуя развитию скорости, т. е. становится силой сопротивления. Для преодоления ее расходуется часть тяговой силы. Следовательно, чтобы максимально использовать тяговую силу автомобиля, особенно при преодолении длинных труднопроходимых участков дороги, необходимо двигаться с равномерной скоростью.
Однако, следует помнить, что в тех случаях, когда автомобиль движется накатом после предварительного разгона или при торможении, сила инерции действует в сторону движения автомобиля, выполняя роль движущей силы. Принимая это во внимание, необходимо преодолевать короткие труднопроходимые участки пути с предварительным разгоном автомобиля.
Величина силы сопротивления разгону зависит от ускорения движения. Чем быстрее разгоняется автомобиль, тем большей становится сила сопротивления. Появление силы сопротивления разгону во всех случаях, исключая трогание автомобиля с места, зависит от действий водителя. Но даже при трогании автомобиля с места меняется величина этой силы. Если автомобиль трогается с места плавно, то сила это почти неощутима, а при резком трогании она может достигнуть величины, превышающей тяговую силу. Это, как правило, ведет к буксованию колес или остановке автомобиля. Водитель должен принять меры, чтобы устранить эту силу.

Источник статьи: http://www.oavto.ru/sovet/sdd/4742.html

Теория движения автомобиля: основные элементы

Силы, действующие на автомобиль

На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.

Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.

Действие силы тяжести на автомобиль

Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Схема сил, действующих на автомобиль во время движения

На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время движения. К ним относятся:

• сила сопротивления качению, затрачиваемая на деформирование шины и дороги, на трение шины о дорогу, трение в подшипниках ведущих колес и др.;
• сила сопротивления подъему (на рисунке не показана), зависящая от веса автомобиля и угла подъема;
• сила сопротивления воздуха, величина которой зависит от формы (обтекаемости) автомобиля, относительной скорости его движения и плотности воздуха;
• центробежная сила, возникающая во время движения автомобиля на повороте и направленная в противоположную от поворота сторону;
• сила инерции движения, величина которой состоит из силы, необходимой для ускорения массы автомобиля в его поступательном движении, и силы, необходимой для углового ускорения вращающихся частей автомобиля.

Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.

Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.

Коэффициент сцепления с дорогой в зависимости от покрытия

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

Разгон, ускорение, накат

Мощность двигателя затрачивается на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения в механизмах трансмиссии.

Если величина усилия, с которым вращаются ведущие колеса, создавая тяговую силу, будет больше чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, т.е. с разгоном.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если тяговое усилие равно силам сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться без ускорения с равномерной скоростью. Чем выше максимальная мощность двигателя и меньше величина суммарных сил сопротивления, тем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости.

Кроме того, на величину ускорения влияет вес автомобиля, передаточное число коробки передач, главной передачи, количество передач и обтекаемость автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии, и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться некоторое время с отключенным двигателем – накатом. Движение накатом используют для экономии топлива.

Торможение автомобиля

Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Чем лучше и надежнее тормоза, тем быстрее можно остановить движущийся автомобиль и тем с большей скоростью можно двигаться, а следовательно, и больше будет его средняя скорость.

Во время движения автомобиля накопленная кинетическая энергия поглощается при торможении. Торможению помогают силы сопротивления воздуха, сопротивления качению и сопротивления подъему. На уклоне силы сопротивления подъему отсутствуют, а к инерции автомобиля добавляется составляющая сила тяжести, которая затрудняет торможение.

При торможении между колесами и дорогой возникает тормозная сила, противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при заторможенных колесах произойдет их скольжение относительно дороги. В первом случае при торможении колеса катятся, постепенно замедляя вращение, а кинетическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию, нагревающую тормозные колодки и диски (барабаны). Во втором случае колеса перестают вращаться и будут скользить по дороге, поэтому большая часть кинетической энергии будет превращаться в тепло трения шин о дорогу. Торможение с остановившимися колесами ухудшает управляемость автомобиля, особенно на скользкой дороге, и приводит к ускоренному износу шин.

Наибольшую тормозную силу можно получить только тогда, когда тормозные моменты на колесах будут пропорциональны нагрузкам, приходящимся на них. Если такая пропорциональность не будет соблюдена, то тормозная сила на одном из колес не будет полностью использована.

Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Замедление автомобиля – это величина, на которую уменьшается скорость автомобиля за единицу времени.

Управляемость автомобиля

Под управляемостью автомобиля понимают его способность изменять направление движения.

Стабилизирующее действие углов продольного и поперечного наклона оси поворота колеса

Во время движения автомобиля по прямой очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес в нужном направлении. На автомобиле предусмотрена стабилизация управляемых колес в положении движения в прямом направлении, которая достигается продольным углом наклона оси поворота и углом между плоскостью вращения колеса и вертикалью. Благодаря продольному наклону колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению оси поворота снесена назад на величину а и его работа подобна ролику (см. рисунок).

При поперечном наклоне повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движения по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большее усилие к рулевому колесу).

Для возвращения управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, вес автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.

Схема бокового увода колеса

На автомобилях, особенно у тех, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод. Боковой увод возникает в основном под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины; при этом колеса катятся не по прямой, а смещаются в сторону под действием поперечной силы (см. рисунок).

Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес меняется радиус поворота, который увеличивается, уменьшая поворачиваемость автомобиля, а устойчивость движения при этом не изменяется.

При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается, особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем у передних, стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать» и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем у задних. Увод колес будет тем больше, чем большей будет боковая сила, действующая на автомобиль, например, на крутом повороте, где возникают большие центробежные силы.

Занос автомобиля

Заносом называется боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси.

Занос может возникать в результате ряда причин. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, особенно часто это случается на скользких дорогах.

Схема заноса автомобиля на повороте

При неодинаковых тяговых или тормозных силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, действующих в продольном направлении, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой или левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их сумма может превысить силу сцепления, препятствующую заносу (см. рисунок).

Чтобы предотвратить начавшийся занос автомобиля, необходимо: прекратить торможение, не выключая сцепление (на автомобилях с МКПП); повернуть колеса в сторону заноса.

Эти приемы выполняют сразу же, как только начался занос. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы занос не начался в другом направлении.

Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге, особенно быстро нарастает занос на большой скорости, поэтому при скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение.

Проходимость автомобиля

Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:

• способностью преодолевать сопротивление качению, используя тяговые силы на колесах;
• габаритными размерами транспортного средства;
• способностью автомобиля преодолевать препятствия, встречающиеся на дороге.

Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.

На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.

Параметры проходимости автомобиля

Проходимость автомобиля по габаритным размерам определяется по:

• продольному радиусу проходимости;
• поперечному радиусу проходимости;
• наименьшему расстоянию между низшими точками автомобиля и дорогой;
• переднему и заднему углу проходимости (углы въезда и съезда);
• радиусу поворотов горизонтальной проходимости;
• габаритным размерам автомобиля;
• высоте центра тяжести автомобиля.

Источник статьи: http://avtonov.info/teorija-dvizhenija-avtomobilja