Стабилизация управляемых колес

Стабилизацией управляемых колес называют их свойство сопротивляться отклонению под действием внешних сил от положения, соответствующего прямолинейному движению автомобиля (нейтральное положение), и автоматически возвращаться к этому положению после прекращения действия внешних сил.

Это свойство обусловливается тем, что наряду с силами, вызывающими моменты, стремящиеся отклонить колеса от нейтрального положения (дестабилизирующие моменты), всегда действуют стабилизирующие моменты, стремящиеся вернуть колеса в нейтральное положение, подобно тому, как при действии на упругое тело внешних сил, вызывающих изменение его размеров и формы, возникают упругие силы, стремящиеся восстановить равновесное положение. Отклонение управляемых колес от нейтрального положения возможно либо в результате поворота водителем рулевого колеса для изменения направления движения автомобиля, либо в результате случайных внешних воздействий, например, сил взаимодействия колес с дорожными неровностями, сил, вызываемых неуравновешенностью колес, и др. В первом случае действие стабилизирующих моментов несколько увеличивает силу, необходимую для поворота рулевого колеса, но зато для возвращения к прямолинейному движению автомобиля по новому направлению достаточно только отпустить рулевое колесо. Под действием стабилизирующих моментов при идеальной стабилизации управляемые колеса вернутся в нейтральное положение без участия водителя, что обеспечивает удобство управления автомобилем.

В реальных условиях движения по ряду причин колеса могут не полностью возвращаться в нейтральное положение, либо возвращаться к этому положению недостаточно быстро, тогда водителю приходится корректировать положение управляемых колес поворотами рулевого колеса. Чем меньше необходимость в такой корректировке, тем качественнее стабилизация и тем лучше управляемость автомобиля. Случайные внешние силы вызывают случайные отклонения управляемых колес от положения, задаваемого водителем в результате воздействия на рулевое колесо. В большинстве случаев внешние силы, действующие на управляемые колеса, переменны по величине и направлению и вызывают колебания колес относительно осей поворота. Наличие стабилизирующих моментов может существенно уменьшить амплитуды этих колебаний, что улучшает управляемость автомобиля.

Возникновение стабилизирующих моментов связано с двумя основными причинами: а) особенностями процессов, происходящих в контакте с опорной поверхностью эластичного колеса, катящегося с уводом; б) наклонным расположением осей поворта колес.

При качении колеса с уводом в результате действия боковой силы Р (рис. 54, а) его обод перемещается не только в направлении плоскости качения колес, но и в боковом направлении. Элементы контактной площадки при отсутствии скольжения остаются неподвижными относительно опорной поверхности. В результате этого возникают боковые деформации элементов шины в области ее контакта с опорной поверхностью, и элементарные боковые реакции будут разными в разных точках контакта. В точках, только входящих в контакт, элементарные реакции равны нулю, а по мере приближения к выходу из контакта постепенно возрастают (см. рис. 54, а).

Это объясняется тем, что чем дальше расположен элемент контактной площадки от ее переднего края, тем на большую вс;

Рис. 54. Стабилизирующий момент шины личину успевает сместиться обод колеса относительно указанного элемента и тем большую упругую силу вызывает связанная с этим смещением деформация. Поэтому при отсутствии скольжения элементов контактной площадки относительно опорной поверхности эпюра элементарных боковых реакций имеет форму, близкую треугольнику (см. рис. 54, а). В задней части контактной площадки, где боковые деформации наибольшие, величина элементарных боковых реакций может превысить силы сцепления с опорной поверхностью, в результате чего эпюра элементарных боковых сил примет форму, показанную на рис. 54, б.

Боковая реакция R, являющаяся равнодействующей элементарных боковых реакций, приложена на расстоянии е от центра контакта площадки, в результате чего реакция R создаст момент М_{с ш}, который называют упругим стабилизирующим моментом шины:

Как видно из рис. 54, б, упругий стабилизирующий момент шины вначале увеличивается с увеличением угла увода 6, затем, достигнув максимального значения при углах увода порядка З…6°, начинает уменьшаться. Такое протекание зависимости Л/_{с ш}=У (б) объясняется тем, что с увеличением угла увода, а следовательно, и боковой силы Р , возрастает область контакта, в которой элементарные боковые реакции достигают предела по сцеплению, в результате чего уменьшается плечо е.

Если при прямолинейном движении автомобиля управляемые колеса случайно повернутся, то в связи с тем, что в первое мгновение автомобиль по инерции будет продолжать движение в прежнем направлении (рис. 55), эти колеса будут катиться с уводом, и в их контакте с опорной поверхностью возникнут касательные реакции R_y, (рис. 55). Моменты М_{с ш}, создаваемые этими реакциями, будут стремиться вернуть колеса в нейтральное положение. Таким же образом реакция R. возникающая при повороте автомобиля, создаст момент М_{с ш}, обеспечивающий стабилизацию колес в этом случае. Из сказанного следует, что в какой-то степени стабилизация управляемых колес обеспечивается даже без специальных конструктивных мероприятий за счет свойств катящихся с уводом эластичных автомобильных колес. Однако упругий стабилизирующий момент шины не всегда и не при всех условиях движения оказывается достаточным для обеспечения оптимальной стабилизации. Дополнительные стабилизирующие.

Рис. 55. Схема стабилизации управляемых колес в результате действия стабилизирующего момента.

моменты получают в результате наклонного расположения осей поворота колес (шкворней поворотных цапф).

У большинства современных автомобилей оси поворота управляемых колес наклонены как в продольной, так и в поперечной плоскостях.

За счет положительного продольного наклона оси поворота (рис. 56) для боковой реакции R создается дополнительное плечо е равное расстоянию от центра контакта до оси поворота колеса. Это приводит к возникновению стабилизирующего момента.

где (З_ш — угол наклона шкворня в продольной плоскости.

Рис. 56. Схема возникновения стабилизирующего момента в результате продольного наклона шкворня.

Величина угла (З_ш у различных автомобилей различна. Чаще всего Р_ш назначается в пределах 0…4⁰. У некоторых легковых автомобилей, у которых в связи с особенностями кинематики подвески наклон осей поворота колес может изменяться в зависимости от нагрузки, угол Р_ш выполняют значительно больше (до.

10… 12°). Иногда для уменьшения автоколебаний управляемых колес у легковых автомобилей наклон осей поворота в продольной плоскости делают отрицательным.

В результате поперечного наклона оси поворота на угол а_ш (рис. 57), если колесо отклонено от положения, при котором ось поворота и ось поворотной цапфы находятся в одной плоскости (равновесное положение колеса), нормальная реакция R_ создаст момент относительно оси шкворня, стремящийся вернуть колесо в равновесное положение. Если ось поворота колеса наклонена только в поперечной плоскости, равновесное положение совпадает с нейтральным. При этом в нейтральном положении момент Л/у каждого из управляемых колес равен нулю, а при отклонении в любую сторону является стабилизирующим, т. е. стремится вернуть колеса в нейтральное положение. Если ось поворота наклонена одновременно и в поперечной и в продольной плоскостях, то равновесное положение каждого из колес расположено относительно нейтрального под углом 0_О =^L, _где _ у_{Г0Л на}

Рш клона шкворня в поперечной плоскости. При этом на каждое из колес действует момент Мстремящийся отклонить колеса от нейтрального положения к равновесному (дестабилизирующий момент). В нейтральном положении моменты, действующие на каждое из колес, равны и направлены в противоположные сто;

Рис. 57. Поперечный наклон шкворня роны. Суммарный момент, действующий на оба управляемых колеса, равен нулю. Если колеса в этом случае поворачиваются относительно нейтрального положения, то суммарный момент оказывается стабилизирующим и приближенно может быть подсчитан по формуле.

где G, — вес, приходящийся на переднюю ось; / - длина поворотной цапфы (см. рис. 57).

Поперечные наклоны осей поворота колес, кроме создания стабилизирующего момента М' выполняют еще одну функцию. Поскольку внешние силы, стремящиеся повернуть каждое из управляемых колес относительно оси поворота, действуют на плече С (см. рис. 57), равном расстоянию от центра контакта до оси шкворня (плечо обкатки колеса), то чем больше угол наклона шкворня а_ш, тем, при прочих равных условиях, меньше плечо обкатки и меньше дестабилизирующие моменты, стремящиеся вывести управляемые колеса из нейтрального положения. Это не только улучшает стабилизацию управляемых колес, но и уменьшает напряжения в деталях рулевого управления, вызываемые действием на управляемые колеса внешних сил. У большинства современных автомобилей углы а_ш составляют 4… 10°.