Центробежная сила, действующая на автомобиль при движении его на повороте, может вызвать боковой занос или опрокидывание автомобиля. Заносу автомобиля противодействует сила бокового сцепления колес с дорогой, а опрокидыванию — момент от веса автомобиля.
На рис. 133 представлена схема движения автомобиля при повороте на дороге с уклоном, направленным наружу от центра поворота (наименее благоприятный случай).
Рис. 133. Устойчивость автомобиля при повороте на дороге с обратным поперечным уклоном
Обозначив центробежную силу через C, приложим ее к центру тяжести автомобиля; принимаем вес автомобиля равным G и направим его из этой же точки вертикально вниз. Опрокидывание автомобиля может наступить лишь в том случае, когда точка пересечения равнодействующей этих двух сил R с землей выйдет за пределы ширины автомобиля АВ. Противодействие боковому заносу определяется силой сопротивления, равной G φ 1 , где φ 1 — коэффициент бокового сцепления колеса с дорогой (практически равный φ — коэффициенту продольного сцепления).
Для обеспечения хорошей устойчивости b/2h > 1, где b — колея, h — высота центра тяжести. Боковой занос возможен, когда C ≥ G · φ 1
Боковое скольжение наступает раньше опрокидывания, поэтому при потере устойчивости обычно начинается боковой занос, который может в некоторых случаях привести к опрокидыванию.
Потеря устойчивости автомобиля происходит обычно при заносе задней оси, так как центробежная сила, вызывающая занос этой оси, усиливает его при начавшемся скольжении колес.
Кроме высоты центра тяжести, на устойчивость автомобиля влияет также его положение по отношению к передней и задней осям и относительно продольной оси симметрии автомобиля.
Положение центра тяжести по длине автомобиля зависит от распределения масс и связано с нагрузкой, приходящейся на каждую ось. Распределение веса по осям решается конструкторами различно в зависимости от типа скоростных автомобилей. Во время ускорения передние колеса автомобиля несколько разгружаются благодаря действию инерционной силы, приложенной к центру тяжести, причем это явление возрастает с приближением центра тяжести к задним колесам. Перемещение центра тяжести ближе к передней оси улучшает управляемость автомобиля, но устойчивость его против бокового заноса при этом уменьшается, особенно при движении по скользкой дороге.
Ухудшение устойчивости связано с уменьшением нагрузки на заднюю ось, что уменьшает силу сцепления ведущих колес с дорогой.
Распределение нагрузки по осям связано с расстоянием между ними, т. е. длиной базы автомобиля, которая оказывает значительное влияние на маневренность и устойчивость автомобиля. Автомобиль с небольшой базой имеет лучшую управляемость при прочих равных условиях. Но обычно автомобили, имеющие большую базу, лучше уравновешиваются и обладают лучшей подвеской. Поэтому они не уступают в управляемости короткобазным автомобилям.
Большая работа по повышению устойчивости автомобиля типа «Харьков» была проделана мастером спорта В. К. Никитиным. Первая модель автомобиля этого типа «Харьков-1» имела плохую устойчивость и управляемость. Вследствие больших свесов, недостаточной жесткости рамы и подвески происходили значительные продольные колебания автомобиля.
Уменьшение свесов, повышение жесткости рамы, установка более коротких и жестких рессор, тщательный подбор наивыгоднейшей регулировки амортизаторов обеспечили для последующих моделей значительное уменьшение продольных колебаний и повышение устойчивости. На автомобилях «Харьков-3» и «Харьков-6» под управлением В. К. Никитина была получена высокая скорость на участках пути с отдельными неровностями покрытия, при этом устойчивость автомобилей оказалась вполне надежной, а управляемость хорошей.
Устойчивость автомобиля при торможении
В скоростных соревнованиях часто имеют место случаи торможения на большой скорости, при этом возникает наибольшая опасность появления заноса.
Для обеспечения устойчивости и управляемости должна быть произведена одинаковая регулировка тормозных колодок на обоих колесах одной оси. В противном случае на колесах при торможении создаются различные тормозные моменты, в результате чего автомобиль стремится к вращению вокруг наиболее заторможенного колеса. На рис. 134 представлена схема скольжения автомобиля при неравномерной затяжке передних тормозов, а на рис. 135 — задних тормозов.
Значительная опасность при торможении, наблюдающаяся и при правильно отрегулированных тормозах, состоит в боковом скольжении колес; причиной этого является то, что заторможенные колеса в значительной мере теряют сцепление с дорогой.
Влияние выбора типа ведущей оси на устойчивость автомобиля
Общепринятый способ помещения ведущей оси автомобиля сзади приводит к тому, что тяговое усилие является толкающим, тогда как при передних ведущих колесах оно будет тянущим.
Рис. 136. Сила, появляющаяся при повороте автомобиля с задними ведущими колесами
Рис. 137. Сила, появляющаяся при повороте автомобиля с передними ведущими колесами
При движении по прямой линии, с точки зрения рассматриваемого вопроса, безразлично, будет ли тяговое усилие тянущим или толкающим, но при движении на повороте положение меняется, как видно из прилагаемых схем (рис. 136 и 137). Ввиду того, что автомобиль направляется передними колесами, от точки приложения тягового усилия зависит, будет ли оно направлено в каждый данный момент по касательной или секущей по отношению к траектории поворота передних колес. Таким образом, при передней ведущей оси тяговое усилие будет стремиться поддерживать автомобиль на траектории поворота, что и составляет главное преимущество этого вида передачи.
Аэродинамическая устойчивость
При больших скоростях движения влияние формы кузова приобретает большое значение для устойчивости автомобиля. Неравномерное давление воздуха на различные части автомобиля, а также значительное воздействие бокового ветра вызывают необходимость обеспечить аэродинамическую устойчивость автомобиля.
В зависимости от формы передней части автомобиля и угла установки кузова по отношению к плоскости дороги сопротивление воздуха может создать усилия, стремящиеся приподнять переднюю часть автомобиля или, наоборот, прижать автомобиль к дороге. Отрыв передних колес от поверхности дороги значительно ухудшает управляемость и устойчивость автомобиля; сила подъема, передающаяся частично и на задние колеса, ухудшает их сцепление с дорогой и увеличивает возможность пробуксовки.
Поэтому у современных гоночных автомобилей стремятся создать такую форму кузова, которая обеспечила бы прижатие автомобиля к дороге под действием встречного воздушного потока. С этой целью кузов устанавливается обычно с некоторым наклоном передней части вниз (отрицательный угол атаки). Кроме того, имеется тенденция к уменьшению высоты передней части кузова.
Эти мероприятия создают достаточное прижимающее усилие. При этом обтекатели колес резко выступают из очертаний кузова, создавая тем самым дополнительную боковую стабилизацию автомобиля.
При действии бокового ветра равнодействующая аэродинамических сил направлена под углом к продольной оси автомобиля. Эта сила может быть разложена на две составляющих, одна из которых, действуя перпендикулярно продольной оси автомобиля, будет стремиться сместить его в поперечном направлении.
Действию этой силы противостоят боковые реакции на колесах, которые при этом получают некоторый боковой увод. Если углы увода передних и задних колес неодинаковы (что обычно и имеет место), автомобиль получает некоторое смещение. Водитель может противодействовать этому смещению и сохранить заданное направление движения автомобиля, повернув руль на соответствующий угол. При боковом ветре, имеющем определенную силу и направление, водитель легко корректирует управление автомобилем.
Под действием бокового ветра автомобиль может оказаться аэродинамически не устойчивым и будет поворачиваться, стремясь занять положение, при котором продольная ось автомобиля совпадала бы с направлением воздушного потока. Если скорость поворачивания автомобиля будет относительно невелика, то водитель успеет реагировать на этот поворот и сможет выравнять автомобиль соответствующим поворотом руля.
Однако более серьезная опасность возникает при случайных порывах бокового ветра или же, что особенно часто бывает в спортивных соревнованиях, при выходе автомобиля с закрытого с боков участка дороги на открытую часть, подверженную действию сильного бокового ветра. В том случае, если скорость поворачивания будет велика, водитель может не успеть выравнять автомобиль, который, повернувшись на значительный угол, будет снесен с полотна дороги. Автомобильные гонки за границей показывают, что недоучет этого фактора может вызвать тяжелые катастрофы.
Чтобы в указанных выше условиях автомобиль обладал хорошей боковой устойчивостью, необходимо совместить метацентр* боковой поверхности примерно с серединой базы автомобиля**.
Метацентр не остается постоянным, а изменяет свое положение в зависимости от угла, под которым направлен боковой ветер. Это изменение положения метацентра относительно невелико, и его трудно учесть для различных углов, под которыми направлен боковой ветер, вследствие чего для сохранения хорошей устойчивости принимают указанное выше условие, считая, что боковой ветер действует под прямым углом к направлению движения автомобиля.
Для того, чтобы метацентр находился вблизи середины базы, необходимо, чтобы площадь боковой поверхности равномерно распределялась относительно этой точки.
Так как у гоночного автомобиля передняя часть имеет большую боковую поверхность, то для уравновешивания бокового аэродинамического давления в задней части автомобиля иногда устраивают кили, имеющие значительную площадь. Такой киль виден у автомобиля «Шахтер» (рис. 108). Киль выполняется как одно целое с кузовом. Он имеет каркас из дюралевых или легких стальных профилей и обшивку из алюминиевого листа, приклепываемую к каркасу.
* Метацентр — точка пересечения равнодействующей аэродинамических сил с продольной осью автомобиля. ** Точнее, метацентр должен совпадать с центром боковых реакций. Центром боковых реакций является точка, расстояния которой от передней и задней осей обратно пропорциональны коэффициентам сопротивления уводу этих осей. Обычно она лежит посередине базы автомобиля.
Источник статьи: http://gaz20.spb.ru/books/speedcars_46.htm
Вопрос. Устойчивость автомобиля против заноса.
Устойчивость — свойство автомобиля сохранять направление движения в любых дорожных условиях без опрокидывания или бокового скольжения колес. Различают продольную, поперечную и боковую устойчивость.
Под продольной устойчивостью понимается способность машины двигаться без опрокидывания относительно передней либо задней оси.
Поперечная устойчивость — это способность машины двигаться без опрокидывания относительно правых или левых колес и при отсутствии бокового скольжения.
Под боковой устойчивостью понимается способность машины двигаться без заноса задней (передней) части вправолибо влево от оси движения.
Заносом называется боковое скольжение передней либо задней оси автомобиля при продолжающемся поступательном движении вперед.
Устойчивость движущегося автомобиля зависит от следующих его параметров: массы и высоты центра масс, базы и колеи, размера и состояния шин, состояния тормозной системы, скорости движения, радиуса поворота, а также состояния дороги.
Устойчивость движущегося автомобиля зависит от следующих факторов: 1) веса автомобиля и высоты центра тяжести его, базы и ширина колеи; 2) размера шин, их конструкции и состояния; 3) радиусов кривизны дороги и состояния ее поверхности; 4) конструкции и регулировки тормозов; 5) скорости и направления движения; 6) умения управлять автомобилем.
Испытаниями установлено: чем выше расположен центр тяжести автомобиля и чем меньше колея, тем скорее произойдет опрокидывание. Для повышения устойчивости автомобиля колея должна быть широкой, а центр тяжести расположен низко (см. таблицу 5).
Водителю необходимо помнить, это, так как наличие груза в кузове, особенно крупногабаритного, — контейнеров, тюков, прессованного сена и т. д. — увеличивает высоту центра тяжести, тем самым снижая устойчивость. С такого рода грузами надо ехать на небольших скоростях, стараться резко не тормозить на крутых поворотах. А может ли произойти опрокидывание на небольших скоростях? Да, может, если дорога с боковым уклоном, а груз расположен в одной стороне кузова. Чаще всего опрокидывание происходит при резком торможении на большой скорости движения. На повороте существенного значение для устойчивости машины имеют не только скорость движения и радиус поворота, но и скорость поворота управляемых колес. Резкий поворот колес может в определенных условиях явиться основным фактором, вызывающим нарушение устойчивости автомобиля. У современных автомобилей, имеющих сравнительно низкое расположение центра тяжести и широкую колею, опрокидывание без предварительного бокового скольжения (заноса) бывают очень редкими. Они могут произойти лишь с автомобилями, нагруженными большегабаритными грузами, расположенными высоко над кузовом на неблагоустроенных дорогах с большим поперечным уклоном. Случаи же бокового скольжения (заноса) и опрокидывания автомобилей при неосторожном движении по скользким, мокрым и обледенелым дорогам бывают значительно чаще. Максимальную допустимую скорость движения автомобиля на поворотах до появления бокового скольжения можно определить по следующих формуле:
Vс = v g?R, где: Vс — максимальная скорость на повороте до появления опасности бокового скольжения автомобиля в м/сек; g — ускорение силы тяжести в м/сек2; ? — коэффициент сцепления колес с грунтом; R — радиус поворота автомобиля в метрах. Во всех случаях при заносе на автомобиль действует боковая (поперечная) сила, которая возникает от неровностей дороги или неравномерного сцепления шин с дорогой. Боковая сила появляется при всяком отклонении автомобиля от прямолинейного направления. В тех случаях, когда машина движется по кривой, возникающую боковую силу называют центробежной силой. В результате действия центробежной силы при резком повороте на большой скорости автомобиль может опрокинуться. Максимальная скорость движения на повороте до опрокидывания определяется по формуле: Vmax = v g RB/2hg,
Vmax — максимальная скорость движения на повороте до появления опрокиды- вания автомобиля; g — ускорение силы тяжести в м/сек2; R — радиус поворота в метрах; В — колея в метрах; hg — высота центра тяжести в метрах. Величина центробежной силы увеличивается вчетверо, если скорость увеличивается вдвое и т. д. Так как в процессе заноса радиус поворота все время уменьшается, то величина центробежной силы возрастает, увеличивая тем самым интенсивность заноса. Следовательно, если занос начался, то он будет прогрессивно нарастать. В этом случае необходимо срочно принять нужные меры, иначе может произойти опрокидывание автомобиля.
Рис.7. Действие водителя для вывода автомобиля из заноса
Наиболее легким и эффективным способом вывода автомобиля из заноса является следующий (рис. 7). Когда появился занос задних колес, водитель немедленно отпускает тормоза и резко поворачивает руль в сторону заноса, а затем, как только автомобиль выровняется, быстро возвращает руль в прежнее положение. Если быстро не выполнить этот прием, то занос продолжится, и автомобиль будет вращаться до тех пор, пока не остановится под влиянием силы трения колес о дорогу или при ударе о препятствие. Если удар скользящих колес сильный либо колеса попали на участок с более высоким сопротивлением скольжению, то автомобиль опрокинется в результате действия на него пары сил (рис. 8).
Рис. 8. Действие пары сил на автомобиль при опрокидывании, после потери боковой устойчивости
Сила сопротивления скольжению левых колес направлена в сторону, противоположную скольжению, а центробежная сила приложена в центре тяжести автомобиля, опрокидывает его вокруг левых колес. Для безопасного вождения на высоких скоростях водитель должен стремиться к повышению устойчивости своего автомобиля. Это достигается увеличением веса автомобиля, понижением центра его тяжести, удлинением базы и расширением колеи, а также правильный регулировкой тормозов и соблюдением скорости, соответствующей состоянию дороги.
По дисциплине «Конструкция и эксплуатационные свойства ТиТТМО»
