Устойчивость автомобиля УАЗ-39095

• 1. Исходные данные
• 2. Определение основных параметров, характеризующих устойчивость автомобиля
• 2.1 Показатели поперечной устойчивости
• 2.2 Поперечная устойчивость на вираже
• 2.3 Анализ поперечной устойчивости автомобиля
• 2.4 Занос автомобиля
• 2.5 Продольная устойчивость автомобиля
• 3. Управляемость
• 3.1 Силы, действующие на автомобиль при повороте
• 3.2 Поворот автомобиля
• 3.3 Поворачиваемость
• 3.3.1 Виды поворачиваемости автомобилей
• 3.3.2 Критическая скорость автомобиля по уводу
• 3.3.3 Коэффициент поворачиваемости автомобиля
• 3.4 Маневренность
• 3.4.1 Показатели маневренности
• 4. Тормозная динамичность автомобиля
• 4.1 Тормозные свойства
• 4.1.1 Измерители тормозных свойств
• 4.1.2 Уравнение движения при торможении
• 4.1.3 Экстренное торможение
• 4.2 Время торможения
• 4.3 Тормозной путь
• 4.4 Коэффициент эффективности торможения
• 4.5 Остановочный путь и диаграмма торможения
• Список литературы

1. Исходные данные

Таблица 1.1 — Основные характеристики автомобиля

2. Определение основных параметров, характеризующих устойчивость автомобиля

Устойчивость автомобиля является важнейшим эксплуатационным свойством, от которого во многом зависит безопасность движения. Нарушение устойчивости автомобиля приводит к снижению безопасности движения, вследствие чего может возникнуть аварийная ситуация или произойти дорожно-транспортное происшествие. Признаком потери автомобилем устойчивости является его скольжение или опрокидывание. В зависимости от направления скольжения или опрокидывания автомобиля устойчивость может быть продольной или поперечной. Нарушение у автомобиля поперечной устойчивости в процессе эксплуатации наиболее вероятно и более опасно, чем нарушение продольной устойчивости.

2.1 Показатели поперечной устойчивости

Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются критическая скорость по боковому скольжению (заносу), критическая скорость по опрокидыванию, критический угол поперечного уклона дороги (косогора) по боковому скольжению, критический угол поперечного уклона дороги (косогора) по опрокидыванию, коэффициент поперечной устойчивости .

Критическая скорость по боковому скольжению (заносу).

Критическая скорость по боковому скольжению (заносу) — предельная скорость, по достижении которой возможен занос автомобиля.

При равномерном движении автомобиля на повороте на горизонтальной дороге (рисунок 2.1) боковое скольжение его колес может возникнуть в результате действия поперечной силы (центробежной, силы ветра или боковых ударов о неровности дороги) в тот момент, когда поперечная сила становится равной силе сцепления колес с дорогой, т. е.

. (2.1)

Рисунок 2.1 — Схема для определения критических скоростей автомобиля по заносу и опрокидыванию: — точка, относительно которой происходит опрокидывание автомобиля; - колея автомобиля; - поперечная сила; и — касательные реакции колес автомобиля с дорогой; и — нормальные реакции колес автомобиля с дорогой; - высота центра масс

Подставив в это выражение значения центробежной силы и силы сцепления:

(2.2)

где — коэффициент поперечного сцепления; - вес автомобиля; - радиус поворота (виража).

Учитывая, что в этом случае, находим критическую скорость автомобиля по боковому скольжению, или заносу, км/ч:

. (2.3)

Иногда при прохождении поворота на критической скорости по боковому скольжению заноса у автомобиля может и не возникнуть.

В этом случае занос может произойти только при любом минимальном боковом возмущении (порыв ветра, боковой удар колеса о дорожную неровность, поперечный уклон дороги), а также при увеличении скорости движения или уменьшении радиуса поворота, что приводит к увеличению поперечной силы .

Зависимости от радиуса поворота и коэффициента показаны на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Зависимости критической скорости автомобиля по заносу от радиуса поворота и коэффициента сцепления

Находим значения критических скоростей при радиусе поворота м и при значениях коэффициента продольного сцепления (таблица 2.1).

Таблица 2.1 — Критическая скорость автомобиля по боковому скольжению, или заносу

Критическая скорость по опрокидыванию.

Критическая скорость по опрокидыванию — это предельная скорость, по достижении которой возможно опрокидывание автомобиля.

При повороте на горизонтальной дороге поперечная сила (рисунок 2.1), действующая на автомобиль, может вызвать не только боковое скольжение, но и опрокидывание. Опрокидывание автомобиля происходит относительно его наружных колес (точка А). В момент отрыва внутренних колес от дороги нормальные реакции, и весь вес автомобиля воспринимается наружными колесами (). В этом случае опрокидывающий момент, создаваемый поперечной силой, уравновешивается восстанавливающим моментом, обусловленным весом автомобиля:

.

Подставив в это выражение значения моментов, получим:

(2.4)

или с учетом значения поперечной силы:

(2.5)

где — колея автомобиля (в среднем).

устойчивость автомобиль торможение остановочный Помня о том, что в этом случае, определим критическую скорость автомобиля по опрокидыванию:

. (2.6)

В некоторых случаях при движении автомобиля на повороте с критической скоростью по опрокидыванию его опрокидывания может и не произойти. Опрокидывание автомобиля в этом случае возможно только при минимальном боковом возмущении и увеличении скорости или уменьшении радиуса поворота.

Зависимости от и показаны на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Зависимости критической скорости по опрокидыванию от радиуса поворота и высоты центра тяжести автомобилей, имеющих одинаковую колею Находим значения критических скоростей автомобиля по опрокидыванию в зависимости от радиуса поворота м и высоты центра тяжести автомобиля (таблица 2.2).

Высота центра тяжести автомобиля без полной нагрузки определяется как:

м, с полной нагрузкой:

м.

Таблица 2.2 — Критическая скорость автомобиля по опрокидыванию

Критический угол поперечного уклона дороги по боковому скольжению.

Критический угол поперечного уклона дороги по боковому скольжению (заносу) — это предельный угол, при котором еще возможно прямолинейное движение автомобиля по косогору без бокового скольжения колес. Боковое скольжение автомобиля в этих условиях начинается при действии любого минимального поперечного возмущения.

При прямолинейном движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном (по косогору) потерю его поперечной устойчивости вызывает составляющая силы тяжести автомобиля (рисунок 2.4), параллельная плоскости косогора:

(2.7)

где — угол поперечного уклона дороги.

Рисунок 2.4 — Схема для определения критических углов поперечного уклона дороги по боковому скольжению и опрокидыванию Боковое скольжение автомобиля на косогоре может начаться в момент, когда

. (2.8)

Подставив в это выражение значения моментов, получим:

. (2.9)

Учитывая, что в данном случае, определим критический угол поперечного уклона дороги по боковому скольжению (заносу):

или. (2.10)

Угол линейно зависит от коэффициента (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 — Зависимость критического угла поперечного уклона дороги по боковому скольжению от коэффициента сцепления Находим значения критических углов поперечного уклона дороги по боковому скольжению (заносу) при радиусе поворота м и при значениях коэффициента продольного сцепления (таблица 2.3).

Таблица 2.3 — Критический угол поперечного уклона дороги по боковому скольжению (заносу)

Критический угол поперечного уклона дороги по опрокидыванию

Критический угол поперечного уклона дороги по опрокидыванию — это предельный угол, при котором еще возможно прямолинейное движение автомобиля по косогору без опрокидывания. При прямолинейном движении по автомобильной дороге с поперечным уклоном (рисунок 2.4) опрокидывание автомобиля может начаться в том случае, когда опрокидывающий момент, создаваемый поперечной силой, уравновешен восстанавливающим моментом, обусловленным нормальной составляющей силы тяжести автомобиля:

(2.11)

или с учетом значений моментов:

. (2.12)

Учитывая, что в данном случае, критический угол поперечного уклона дороги по опрокидыванию:

или. (2.13)

Опрокидывание автомобиля может произойти только при любом минимальном боковом возмущении.

Значение критического угла поперечного уклона дороги по опрокидыванию зависит от типа автомобиля. Так, для легковых автомобилей этот угол составляет 40.50°, для грузовых автомобилей — 30.40° и для автобусов — 25.35°. Угол линейно зависит от отношения (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Зависимость критического угла поперечного уклона дороги по опрокидыванию от соотношения колеи колес и высоты центра тяжести автомобиля Находим значения критических углов поперечного уклона дороги по опрокидыванию в зависимости от центра тяжести автомобиля (таблица 2.4).

Таблица 2.4 — Критический угол поперечного уклона дороги по опрокидыванию

Коэффициент поперечной устойчивости автомобиля

Коэффициент поперечной устойчивости автомобиля — это отношение колеи колес автомобиля к его удвоенной высоте центра тяжести:

. (2.14)

Коэффициент поперечной устойчивости позволяет определить, какой из двух видов потерь поперечной устойчивости (занос или опрокидывание) более вероятен при эксплуатации.

В случае движения автомобиля при повороте на горизонтальной дороге критические скорости по боковому скольжению и опрокидыванию равны, поэтому:

(2.15) откуда. (2.16)

Из этого выражения следует, что если коэффициент поперечного сцепления колес с дорогой меньше коэффициента поперечной устойчивости (), то при повороте более вероятен занос, чем опрокидывание. Если же коэффициент поперечного сцепления колес с дорогой больше коэффициента поперечной устойчивости (), то опрокидывание автомобиля может произойти без предварительного его заноса, что возможно на дорогах с большим коэффициентом сцепления.

Значение коэффициента поперечной устойчивости зависит от типа автомобиля. Так, для грузовых автомобилей оно составляет 0,55.0,8, для автобусов — 0,5.0,6 и легковых автомобилей — 0,9.1,2. Чем больше значение коэффициента поперечной устойчивости, тем более устойчив автомобиль против бокового опрокидывания.

В нашем случае (при высоте центра тяжести автомобиля без нагрузки) и (при высоте центра тяжести автомобиля с полной нагрузкой).

2.2 Поперечная устойчивость на вираже

Ранее были рассмотрены случаи, когда нарушение поперечной устойчивости автомобиля вызывали закругления или поперечный уклон дороги. Однако в эксплуатации часто встречаются одновременно поворот и поперечный уклон дороги, что создает предпосылки для нарушения поперечной устойчивости.

На рисунке 2.7 представлены два автомобиля. Автомобиль I движется на повороте по наружному краю дороги, а автомобиль II — по внутреннему.

Рисунок 2.7 — Движение автомобилей на повороте

Для того чтобы определить, какой из них более устойчив и безопасен на повороте, необходимо разложить поперечную силу и силу тяжести на соответствующие составляющие, перпендикулярные (и) и параллельные (и) поверхности дороги.

У автомобиля II поперечная устойчивость выше, чем у автомобиля I, так как у него силы и складываются и увеличивают сцепление колес с дорогой, а силы и частично уравновешивают друг друга, действуя в противоположные стороны.

У автомобиля I силы и, направленные в противоположные стороны, уменьшают сцепление колес с дорогой, а силы и, действуя в одном направлении, уменьшают поперечную устойчивость. Таким образом, автомобиль II, движущийся по внутреннему краю дороги (по отношению к центру поворота), более устойчив и безопасен на повороте, чем автомобиль I.

В связи с этим для обеспечения необходимой безопасности движения на дорогах с малым радиусом поворота устраивают вираж — односкатный поперечный профиль, благодаря которому поперечный уклон дороги направлен к центру поворота. В этом случае поперечная устойчивость автомобиля существенно повышается (как у автомобиля II) независимо от направления его движения.

При движении на вираже (рисунок 2.8) боковое скольжение автомобиля может начаться при условии:

(2.17) или

(2.18)

где — боковая сила, действующая на вираже.

Рисунок 2.8 — Движение автомобиля на вираже

Подставим в указанное выражение значение поперечной составляющей центробежной силы и, выполнив ряд преобразований, можно определить критическую скорость автомобиля по заносу на вираже:

(2.19)

где — угол поперечного уклона дороги; - радиус виража (поворота).

Зависимости от и аналогичны приведенным на рисунке 2.2.

Находим значения критических скоростей автомобиля по заносу на вираже при радиусе поворота м, значениях коэффициента продольного сцепления и угле поперечного уклона дороги ^о (таблица 2.5).

Таблица 2.5 — Критическая скорость автомобиля по заносу на вираже

Опрокидывание автомобиля при движении на вираже возможно при условии равенства опрокидывающего и восстанавливающего моментов:

(2.20)

или

. (2.21)

Подставив значение силы и, выполнив соответствующие преобразования, можно найти критическую скорость автомобиля по опрокидыванию на вираже:

. (2.22)

Зависимости от радиуса и высоты аналогичны представленным на рисунке 2.3.

Находим значения критических скоростей автомобиля по опрокидыванию на вираже в зависимости от центра тяжести автомобиля (таблица 2.6).

Таблица 2.6 — Критическая скорость автомобиля по опрокидыванию на вираже

В приведенных ранее формулах для показателей поперечной устойчивости автомобиля не учитываются эластичность его шин и подвески и, следовательно, поперечный крен кузова. В процессе эксплуатации при действии боковой силы возникает поперечный крен кузова. Угол крена кузова не превышает 8.10°, но он существенно ухудшает поперечную устойчивость автомобиля, что способствует его опрокидыванию. Так, например, значения критической скорости и критического угла поперечного уклона дороги по опрокидыванию с учетом бокового крена кузова на 10.15% меньше, чем без учета крена.

2.3 Анализ поперечной устойчивости автомобиля

Как правило, анализ поперечной устойчивости проводят для автомобиля, движущегося по виражу постоянного радиуса с постоянной скоростью. При этом принимается, что автомобиль является плоской фигурой, а увод и скольжение колес отсутствуют.

Критический угол косогора (дороги) по скольжению определяется из выражения:

(2.23)

где — максимальный (критический) угол косогора дороги, по которому автомобиль может двигаться без поперечного скольжения;

— радиус поворота (виража);

— скорость движения автомобиля;

— коэффициент предварительного поперечного крена подрессоренной массы автомобиля. Величина для легковых автомобилей (без пассажиров и с пассажирами), а также для грузовых автомобилей с нагрузкой составляет 0,8…0,85, а для грузовых без нагрузки — 0,9.

Находим значения критических углов косогора (дороги) по скольжению для автомобиля без нагрузки и с нагрузкой в зависимости от коэффициента поперечного сцепления (таблица 2.7 и таблица 2.8).

Таблица 2.7 — Критический угол косогора (дороги) по скольжению с нагрузкой

Таблица 2.8 — Критический угол косогора (дороги) по скольжению без нагрузки

Критический угол косогора (дороги) по опрокидыванию определяется из выражения:

. (2.24)

Находим значения критических углов косогора (дороги) по опрокидыванию для автомобиля без нагрузки и с нагрузкой в зависимости от высоты расположения центра тяжести автомобиля (таблица 2.9 и таблица 2.10).

Таблица 2.9 — Критический угол косогора (дороги) по опрокидыванию с нагрузкой

Таблица 2.10 — Критический угол косогора (дороги) по опрокидыванию без нагрузки

2.4 Занос автомобиля

В процессе эксплуатации автомобилей при нарушении поперечной устойчивости чаще происходит их занос, чем опрокидывание. При этом начинают скользить колеса одного из мостов — переднего или заднего.

Для определения того, что более вероятно и опасно: занос переднего управляемого (ведомого) или заднего ведущего моста, необходимо рассмотреть качение колеса без скольжения, т. е.:

(2.25)

где — касательная реакция дороги;

— поперечная реакция дороги.

Следовательно, должно выполняться соотношение:

(2.26)

согласно которому, поперечная сила, прилагаемая к колесу и, не вызывающая его скольжения, тем больше, чем значительнее сила сцепления колеса с дорогой и меньше касательная реакция дороги.

Ведомое колесо наиболее устойчиво против заноса, так как касательная реакция дороги, представляющая собой силу сопротивления качению, мала по сравнению с силой сцепления .

Ведущее и тормозящее колеса менее устойчивы против заноса, поскольку через них передаются соответственно тяговая и тормозная силы. В тот момент, когда сила сцепления будет равна касательной реакции дороги () сцепление колеса с дорогой полностью использовано касательной реакцией. В этом случае достаточно действия небольшой боковой силы, чтобы начался занос колеса. Для ликвидации начавшегося заноса следует уменьшить касательную реакцию на колесе (уменьшить тяговую силу, прекратить торможение).

При прямолинейном движении автомобиля наиболее вероятен занос заднего ведущего моста, так как на его колеса при разгоне и преодолении повышенного сопротивления дороги действуют касательные реакции дороги во много раз более значительные, чем на колеса переднего ведомого моста. При торможении автомобиля вследствие перераспределения нагрузки (увеличивается нагрузка на передний мост) уменьшается сила сцепления задних колес, что также способствует заносу заднего ведущего моста.

Рисунок 2.9 — Занос переднего (а) и заднего (б) мостов автомобиля Занос заднего ведущего моста автомобиля при эксплуатации не только вероятнее, чем переднего, но и опаснее. Допустим, что у двигавшегося прямолинейно автомобиля со скоростью начался занос или переднего (рисунок 2.9, а), или заднего (рисунок 2.9, б) моста со скоростью. В обоих случаях мост, у которого начался занос, перемещается в направлении результирующей скорости, а нескользящий мост по-прежнему движется прямолинейно со скоростью. Происходит поворот автомобиля вокруг центра , и на автомобиль действует центробежная сила. Радиус поворота автомобиля в этом случае равен .

При заносе переднего моста (рисунок 2.9, а) поперечная составляющая центробежной силы, являющаяся основной силой, которая действует на автомобиль при повороте, направлена противоположно скольжению передних колес. В результате занос переднего моста автоматически прекращается.

При заносе заднего моста (рисунок 2.9, б) поперечная составляющая центробежной силы действует в направлении скольжения задних колес и усиливает начавшийся занос заднего моста. Для ликвидации начавшегося заноса необходимо повернуть передние управляемые колеса в сторону заноса, как показано на рисунке 2.10. При этом центр поворота автомобиля переместится в точку, радиус поворота увеличится и станет равным. В результате поперечная составляющая центробежной силы, способствующая заносу, уменьшится.

Рисунок 2.10 — Гашение заноса автомобиля При повороте передних колес на больший угол центр поворота переместится на противоположную сторону автомобиля, и поперечная составляющая центробежной силы будет направлена в сторону, противоположную заносу. Занос задних колес в этом случае прекратится.

При еще большем угле поворота передних колес скольжение задних колес начнется в противоположную сторону. Поэтому после прекращения заноса задних колес автомобиль нужно вывести на прямолинейное движение.

В процессе эксплуатации занос автомобиля происходит чаще всего при торможении, когда в месте контакта колес с дорогой действуют большие тормозные силы. В результате колеса теряют способность воспринимать боковые силы. При торможении занос часто возникает также из-за неодинаковых тормозных моментов на колесах одного моста. Это происходит вследствие неправильной регулировки тормозных механизмов или их замасливания и загрязнения.

Для ликвидации начавшегося заноса при торможении следует уменьшить касательные реакции дороги на колесах (прекратить торможение). Для устранения потери устойчивости автомобиля необходимо перед началом поворота уменьшить скорость движения, так как поперечная составляющая центробежной силы пропорциональна квадрату скорости.

2.5 Продольная устойчивость автомобиля

При нарушении продольной устойчивости автомобиль может опрокинуться относительно оси передних или задних колес, а также скользить в продольном направлении.

Опрокидывание вокруг осей колес возможно только у автомобиля с очень короткой базой и высоким расположением центра тяжести. Однако для большинства современных автомобилей, имеющих низкое расположение центра тяжести, опрокидывание в продольной плоскости маловероятно. Возможно лишь продольное скольжение, вызванное буксованием ведущих колес, что более вероятно для автопоездов. В связи с этим показателем продольной устойчивости автомобиля является критический угол подъема по буксованию .

Критический угол подъема по буксованию — это предельный угол, при котором еще возможно движение автомобиля на подъеме без буксования ведущих колес.

Для того чтобы определить критический угол подъема автомобиля по буксованию, необходимо рассмотреть равномерное движение автомобиля на максимальном подъеме (рисунок 2.11), так как разгон на нем невозможен.

При этом расчет основывается на следующих предположениях и допущениях:

1) при преодолении максимального подъема скорость движения автомобиля небольшая, поэтому силой сопротивления воздуха пренебрегаем;

2) сцепление ведущих колес с дорогой полностью используется касательной реакцией дороги ();

3) касательная реакция дороги на передних колесах мала по сравнению с касательной реакцией, поэтому ей можно пренебречь.

Рисунок 2.11 — Схема для определения критического угла подъема по буксованию Из условий равновесия автомобиля следует, что:

; (2.27)

.

Максимальное значение касательной реакции дороги на ведущих колесах автомобиля ограничена сцеплением колес с дорогой:

. (2.28)

Подставив в это выражение значения реакций дороги и и разделив обе части уравнения на, а также учитывая в данном случае, что, можно определить критический угол подъема по буксованию:

. (2.29)

Как видно из выражения, критический угол подъема по буксованию во многом зависит от коэффициента сцепления. Так, например, при (асфальт влажный и грязный или покрытый снегом) для автомобилей с колесной формулой 4×2 угол °.

Для автомобиля со всеми ведущими колесами критический угол подъема по буксованию будет определяться как:

. (2.30)

Следовательно, такого типа автомобили могут преодолевать крутые подъемы без потери продольной устойчивости.

Угол линейно зависит от коэффициента (рисунок 2.12).

1 — автопоезд; 2 — автомобиль обычной проходимости; 3 — автомобиль повышенной проходимости Рисунок 2.12 — Зависимости критического угла подъема по буксованию от коэффициента сцепления Находим значения критических углов подъема по буксованию в зависимости от коэффициента продольного сцепления (таблица 2.11).

Таблица 2.11 — Критический угол подъема по буксованию

3. Управляемость

3.1 Силы, действующие на автомобиль при повороте

Процесс движения автомобиля на повороте включает в себя три фазы (рисунок 3.1, а): вход в поворот (участок АБ), поворот (БВ) и выход из него (ВГ).

При входе в поворот управляемые колеса двигавшегося прямолинейно автомобиля поворачиваются, и он движется по кривой уменьшающегося радиуса.

При повороте управляемые колеса повернуты на определенный угол, и движение происходит по кривой постоянного радиуса.

При выходе из поворота управляемые колеса возвращаются в нейтральное положение, и автомобиль движется по кривой увеличивающегося радиуса, а затем движется прямолинейно.

Во время движения на повороте на автомобиль (рисунок 3.1, б) действуют следующие силы: центробежная и ее поперечная и продольная составляющие, а также поперечные реакции дороги: — на передний и — на задний мосты.

Рисунок 3.1 — Поворот автомобиля: а - фазы процесса поворота; б — силы, действующие при повороте;

Основной действующей силой при повороте является поперечная составляющая центробежной силы, которая направлена перпендикулярно продольной оси автомобиля и представляет собой сумму трех сил:

. (3.1)

Сила всегда возникает при криволинейном движении. Она пропорциональна квадрату скорости и действует в процессе всего поворота. Сила появляется в результате изменения угла поворота управляемых колес и действует при входе и выходе из поворота. Сила возникает вследствие изменения скорости движения и действует только при неравномерном движении на повороте. Из трех указанных составляющих наибольшее значение имеет сила на долю которой приходится 90% силы. Поэтому для автомобилей общего назначения и специализированных автомобилей силами и пренебрегают.

Их учитывают только для специальных автомобилей (пожарные, автомобили «скорой помощи» и др.), движущихся на поворотах с более высокими скоростями.

При равномерном движении на повороте поперечная составляющая центробежной силы:

. (3.2)

Она пропорциональна квадрату скорости движения, поэтому быстро возрастает при увеличении скорости. Поперечные реакции дороги на передний и задний мосты при равномерном движении на повороте:

;, (3.3)

где Н,

Н.

В нашем случае:

Н,

Н.

Из этих выражений следует, что центробежные силы, действующие на передний и задний мосты, можно считать пропорциональными приходящемуся на них весу и .

3.2 Поворот автомобиля

Основными параметрами, характеризующими поворот автомобиля, являются радиус поворота и положение центра поворота.

На рисунках 3.2 и 3.3 представлены схемы поворота автомобиля с жесткими и эластичными колесами. Точка О представляет собой центр поворота. Она находится на пересечении перпендикуляров, проведенных к векторам скоростей всех колес (мостов) автомобиля. Радиус поворота представляет собой расстояние от центра поворота до продольной оси автомобиля.

О — центр поворота; А, Б — центры осей передних и задних колес; , — векторы скоростей передних и задних колес

Рисунок 3.2 — Схема поворота автомобиля с жесткими колесами

Для автомобиля с жесткими колесами (рисунок 3.2), у которого векторы скоростей колес совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота лежит на продолжении оси задних колес, а радиус поворота (из ?ОАБ):

(3.4)

где — база автомобиля;

— угол поворота управляемых колес.

В нашем случае:

м.

Следовательно, радиус поворота автомобиля с жесткими колесами зависит только от угла поворота управляемых колес.

О - центр поворота; А, В - центры осей передних и задних колес; С — расстояние между центром В оси задних колес и точкой Б - проекцией центра поворота на продольную ось автомобиля; , — векторы скоростей передних и задних колес

Рисунок 3.3 — Схема поворота автомобиля с эластичными колесами

Для автомобиля с эластичными колесами (рисунок 3.3), векторы скоростей которых не совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота находится на некотором расстоянии С от оси задних колес, а радиус поворота (из ?ОАБ и ?ОБВ):

(3.5)

где , — углы увода передних и задних колес (мостов).

С учетом значений боковых сил углы увода колес определяют как:

, (3.6)

где , — коэффициенты сопротивления уводу передних и задних колес.

Для легковых автомобилей кН/^о, для грузовых автомобилей кН/^о. При этом следует учитывать, что у грузовых автомобилей с сопряженными осями имеет большее значение. Так, например, для автомобиля с двумя задними осями кН/^о.

Большие значения коэффициентов сопротивления уводу обусловлены тем, что на грузовых автомобилях, как правило, используются шины с диагональным расположением нитей корда (т.е. более жесткими), а также сдвоенные колеса на задних мостах.

Таким образом, радиус поворота автомобиля с эластичными колесами зависит от угла поворота управляемых колес и углов увода передних и задних колес, обусловленных их эластичностью при действии боковой силы.

В нашем случае:

^о,

^о.

м.

С учетом радиуса поворота находим расстояние С (из ?ОБВ):

(3.7)

(3.8)

м.

Следовательно, положение центра поворота автомобиля с эластичными колесами зависит от угла поворота управляемых колес и углов увода передних и задних колес (мостов).

В технической характеристике автомобиля указывается наименьший радиус поворота по колее переднего наружного колеса. Этот радиус определяется экспериментально при максимальном повороте управляемых колес.

Радиус поворота автомобиля по колее переднего наружного колеса можно определить по следующей формуле:

(3.9)

где — колея передних колес.

м.

3.3 Поворачиваемость

Основными параметрами, характеризующими поворачиваемость автомобиля, являются углы увода передних и задних колес и соотношение между ними. Показателями поворачиваемости служат критическая скорость автомобиля по уводу и коэффициент поворачиваемости.

3.3.1 Виды поворачиваемости автомобилей

В зависимости от соотношения углов увода передних и задних колес (мостов) автомобиля могут иметь различную поворачиваемость: нейтральную, недостаточную и излишнюю.

Нейтральная поворачиваемость (рисунок 3.4, а) характеризуется тем, что углы увода передних и задних колес равны () и, следовательно, радиусы поворота автомобилей с нейтральной поворачиваемостью и жесткими колесами тоже равны, т. е. (рисунок 3.4, б). Хотя радиусы поворота равны, траектории движения автомобилей с нейтральной поворачиваемостью и жесткими колесами не совпадают, так как центры их поворота находятся в разных точках (О и О_х).

а - возникновение углов увода колес; б - движение на повороте;

О, O₁ - центры поворота автомобилей

Рисунок 3.4 — Схема автомобиля с нейтральной поворачиваемостью

Недостаточная поворачиваемость (рисунок 3.5, б) характеризуется тем, что угол увода передних колес больше, чем задних (), и. Для движения автомобиля с недостаточной поворачиваемостью (рисунок 3.5, б) по траектории заданного радиуса управляемые колеса необходимо повернуть на больший угол, чем при жестких колесах, так как на повороте он стремится двигаться по кривой большего радиуса, чем определяемый положением передних управляемых колес.

а - возникновение углов увода колес; б - движение на повороте

Рисунок 3.5 — Схемы автомобиля с недостаточной поворачиваемостью

Следовательно, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью безопасен при движении на повороте, так как у него имеется некоторый резерв «подруливания». Однако управление автомобилем с недостаточной поворачиваемостью на поворотах несколько затрудняется вследствие того, что он поворачивает более полого, чем задано управляемыми колесами.

При действии боковой возмущающей силы (ветер, боковой толчок от неровности дороги) прямолинейно двигавшийся автомобиль с недостаточной поворачиваемостью начинает совершать поворот вокруг центра О. Вследствие этого возникает центробежная сила, поперечная составляющая которой действует в противоположную сторону по отношению к боковой силе . В результате увод колес уменьшается. Таким образом, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью автоматически стремится сохранить заданное прямолинейное движение, т. е. он устойчив и безопасен при прямолинейном движении.

Рисунок 3.6 — Схема движения автомобиля с недостаточной поворачиваемостью при действии боковой силы

Излишняя поворачиваемость (рисунок 3.7, а) характеризуется тем, что угол увода передних колес меньше, чем задних (), и . Для движения автомобиля (рисунок 3.7, б) с излишней поворачиваемостью по траектории данного радиуса управляемые колеса следует повернуть на меньший угол, чем при жестких колесах, так как он на повороте стремится двигаться по кривой непрерывно уменьшающегося радиуса, что может привести к заносу задних колес. Следовательно, автомобиль с излишней поворачиваемостью при движении на повороте не имеет резерва «подруливания» и более опасен, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью.

а - возникновение углов увода колес; б - движение на повороте

Рисунок 3.7 — Схемы автомобиля с излишней поворачиваемостью

Однако управлять автомобилем с излишней поворачиваемостью на повороте легче, так как он поворачивает на больший угол по сравнению с заданным управляемыми колесами.

При действии боковой силы двигавшийся прямолинейно автомобиль с излишней поворачиваемостью начинает перемещаться по кривой вокруг центра поворота О (рисунок 3.8). В этом случае поперечная составляющая центробежной силы действует в ту же сторону, что и боковая сила . Увод колес возрастает, что приводит к увеличению центробежной силы. И если не повернуть управляемые колеса в противоположную начавшемуся повороту сторону, то автомобиль будет двигаться по кривой непрерывно уменьшающегося радиуса (по спирали), в результате чего может произойти занос или опрокидывание. Следовательно, автомобиль с излишней поворачиваемостью неустойчив при прямолинейном движении и менее безопасен, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью.

Рисунок 3.8 — Схема движения автомобиля с излишней поворачиваемостью при действии боковой силы

3.3.2 Критическая скорость автомобиля по уводу

Критической скоростью по уводу называется скорость, по достижении которой при любом боковом возмущении начинается прогрессивное отклонение автомобиля от направления движения, заданного управляемыми колесами.

Для нахождения критической скорости автомобиля по уводу определим изменение угла поворота управляемых колес автомобиля в зависимости от скорости его движения.

С этой целью выразим угол поворота управляемых колес из формулы для радиуса поворота автомобиля с эластичными колесами:

. (3.10)

У автомобиля с недостаточной поворачиваемостью при увеличении скорости возрастают разность углов увода и и, следовательно, угол поворота управляемых колес. При этом угол поворота управляемых колес всегда остается положительным.

У автомобиля с излишней поворачиваемостью при увеличении скорости движения угол поворота управляемых колес уменьшается. При определенной скорости разность углов увода:

. (3.11)

При движении с критической скоростью по уводу достаточно небольшого бокового возмущения (наезд на неровность дороги, порыв ветра и др.), чтобы возник прогрессивно возрастающий увод, и двигавшийся прямолинейно автомобиль стал круто поворачиваться.

Так как сначала автомобиль двигался прямолинейно и угол поворота управляемых колес был равен нулю (), то с учетом предыдущих выражений можно записать:

. (3.12)

Обозначив , определим критическую скорость автомобиля по уводу:

(3.13)

км/ч.

Из формулы для следует, что критическую скорость по уводу имеют только автомобили с излишней поворачиваемостью. У автомобилей с нейтральной и недостаточной поворачиваемостью критическая скорость по уводу отсутствует, так как при она равна бесконечности, а при имеет отрицательное значение.

Управление автомобилем с излишней поворачиваемостью затруднено, и такой автомобиль менее безопасен, чем автомобиль с недостаточной поворачиваемостью. Так, при скорости автомобиля, равной критической по уводу (), для движения по кривой траектории управляемые колеса нужно устанавливать в нейтральное положение, а при скорости, большей критической по уводу (), управляемые колеса необходимо поворачивать в сторону, противоположную повороту. Все это нарушает управляемость автомобиля и затрудняет работу водителя, так как данный недостаток он вынужден устранять поворотом управляемых колес.

Итак, наиболее безопасными являются автомобили с недостаточной поворачиваемостью. Они устойчивы при прямолинейном движении, при действии боковой силы располагают резервом «подруливания» на поворотах и не имеют критической скорости по уводу. Чем больше недостаточная поворачиваемость автомобиля, тем меньше утомляется водитель.

Чрезмерно большая поворачиваемость автомобиля затрудняет работу водителя, так как для изменения направления движения требуется большая сила. Обеспечить нейтральную поворачиваемость автомобиля очень сложно. В связи с этим стремятся делать автомобили с недостаточной поворачиваемостью.

Недостаточная поворачиваемость достигается уменьшением давления воздуха в шинах передних колес по сравнению с задними, вследствие чего снижается их сопротивление уводу и увеличивается угол увода; расположением центра тяжести автомобиля ближе к оси передних колес, что увеличивает действие центробежной силы на передние колеса и угол увода передних колес; разной конструкцией подвески колес автомобиля: передняя независимая, а задняя зависимая; применением переднего привода.

3.3.3 Коэффициент поворачиваемости автомобиля

Этот коэффициент позволяет определять поворачиваемость автомобиля. Его значение находится по следующей формуле:

. (3.14)

Для легковых автомобилей коэффициенты сопротивления уводу передних и задних колес обычно равны и коэффициент поворачиваемости:

(3.15)

.

Для грузовых автомобилей () ограниченной проходимости с двускатными задними колесами и одинаковым давлением воздуха в шинах передних и задних колес коэффициент поворачиваемости можно определить по выражению (3.14).

Если коэффициент поворачиваемости меньше единицы (), то автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью. Если же данный коэффициент больше единицы (), то автомобиль имеет излишнюю поворачиваемость. При этом чем больше значение коэффициента поворачиваемости, тем меньше поперечная устойчивость автомобиля и больше его склонность к заносу.

3.4 Маневренность

Автомобили должны обладать хорошей маневренностью. Она требуется при значительном изменении направления движения в условиях города, когда часто приходится совершать повороты на 90°, при необходимости в движении задним ходом или полном развороте. Высокая маневренность также необходима при погрузке и разгрузке автомобилей на небольших площадках.

Маневренность характеризует удобство использования автомобиля и легкость управления им при необходимости движения и выполнения поворотов и разворотов в стесненных условиях, а также проходимость автомобиля при движении по грунтовым дорогам с крутыми поворотами, по пересеченной местности и через лес. От маневренности автомобилей зависят размеры необходимых площадок в местах погрузки и выгрузки, а иногда и затраты времени на выполнение этих операций, требуемая ширина проездов в гаражах, на площадках для стоянки и в зонах обслуживания.

3.4.1 Показатели маневренности

Основными показателями маневренности автомобиля (рисунок 3.9) являются минимальный радиус поворота внутренний и наружный габаритные радиусы поворота, минимальный радиус поворота внутреннего заднего колеса поворотная ширина по колее колес и поворотная ширина автомобиля (коридора).

Минимальный радиус поворота автомобиля представляет собой расстояние от центра поворота до оси колеи переднего наружного управляемого колеса при максимальном угле его поворота.

Рисунок 3.9 — Показатели маневренности автомобиля

Минимальный радиус поворота указывается в технической характеристике автомобиля. Его можно вычислить по формуле:

(3.16)

где — база автомобиля;

— максимальный угол поворота наружного колеса.

м.

Рисунок 3.10 — Схемы автомобилей с передними (а) и всеми (б) управляемыми колесами

Внутренним и наружным габаритными радиусами поворота называются расстояния от центра поворота до ближайшей и наиболее удаленной точек автомобиля при максимальном повороте управляемых колес.

Поворотная ширина по колее колес — это разность между минимальными радиусами поворота переднего наружного и заднего внутреннего колеса:

.

Поворотная ширина по колее колес автомобиля определяет минимально необходимую ширину проезжей части твердого покрытия дороги.

Поворотной шириной автомобиля (коридора) называется разность между наружным и внутренним габаритными радиусами поворота автомобиля:

.

Поворотная ширина коридора определяет минимальную ширину проезда или ширину полосы движения, необходимую при крутых поворотах, а также возможность движения в проездах заданных размеров и формы.

4. Тормозная динамичность автомобиля

Современные автомобили снабжаются четырьмя тормозными системами: рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной.

Рабочая тормозная система является основной. Она предназначена для регулирования скорости автомобиля в любых условиях движения. Запасная система используется в случае отказа рабочей системы, а стояночная удерживает неподвижный автомобиль на месте. Вспомогательная тормозная система нужна для поддержания скорости автомобиля постоянной в течение длительного времени. На легковых автомобилях и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности в качестве запасной тормозной системы часто используют стояночную, а во вспомогательной системе — двигатель. На грузовых автомобилях большой грузоподъемности и автобусах большой вместимости применяют четыре раздельные тормозные системы.

Наибольшее значение для безопасности автомобиля имеет рабочая тормозная система. Ее применяют для плавного снижения скорости с замедлением (до 2,5 — 3 м/с²) — служебное торможение и для резкого ее уменьшения с максимально возможным в данных дорожных условиях замедлением (до 8 — 9 м/с²) — экстренное или аварийное торможение.

4.1 Тормозные свойства

Тормозные свойства имеют важное значение при эксплуатации автомобилей, так как от них во многом зависит безопасность движения. Чем лучше тормозные свойства, тем выше безопасность движения, средняя скорость и производительность автомобиля.

4.1.1 Измерители тормозных свойств

Измерителями тормозных свойств автомобиля являются замедление при торможении, время торможения, и тормозной путь. Наиболее важное значение из указанных измерителей имеют замедление и тормозной путь.

Нагрузка на автомобиль оказывает существенное влияние на его тормозные свойства. Поэтому в процессе эксплуатации для проверки эффективности тормозных механизмов в качестве измерителей используют максимально допустимый тормозной путь и минимально допустимое замедление автомобиля без нагрузки и с полной нагрузкой.

Нормативные значения измерителей тормозных свойств автомобиля без нагрузки при торможении на сухой асфальтовой горизонтальной дороге регламентированы правилами дорожного движения.

4.1.2 Уравнение движения при торможении

Уравнение движения автомобиля (при торможении) для случая торможения на горизонтальной дороге (рисунок 4.1) после проекции сил, действующих на автомобиль, на плоскость дороги будет иметь вид:

(4.1) или

. (4.2) откуда

. (4.3)

Рисунок 4.1 — Силы, действующие на автомобиль при торможении

Значение замедления зависит от режима торможения автомобиля. При эксплуатации применяется экстренное (аварийное) и служебное торможение.

4.1.3 Экстренное торможение

Экстренным называется режим торможения, при котором тормозные силы на колесах автомобиля достигают максимально возможного значения по сцеплению. При этом колесо находится на грани юза (полного скольжения), но еще катится с некоторым проскальзыванием. Как показали исследования, максимальное значение тормозной силы на колесе достигается при его 15.30% -ном проскальзывании. Экстренное торможение применяется сравнительно редко и обычно составляет 3.5% общего числа торможений. При экстренном торможении замедление достигает наибольшего значения и на сухом асфальтобетоне составляет 7,5.8 м/с². Экстренное торможение очень неприятно для сидящих пассажиров и опасно для стоящих. Оно вызывает повышенный износ шин и тормозных механизмов. При экстренном торможении для увеличения замедления необходимо уменьшить влияние вращающихся масс, поэтому двигатель отключается от трансмиссии при помощи сцепления. Процесс торможения осуществляется только тормозной системой.

При экстренном торможении скорость автомобиля резко падает, поэтому влияние силы сопротивления воздуха незначительно. Уравнение движения автомобиля при экстренном торможении принимает следующий вид:

. (4.4)

Так как при экстренном торможении касательные реакции дороги на передних и задних колесах имеют максимально возможные значения по сцеплению, то:

. (4.5)

С учетом этого выражения для горизонтальной дороги и современных автомобильных дорог, имеющих небольшие уклоны, при экстренном торможении замедление определяется:

. (4.6)

Если во время торможения значение коэффициента сцепления колес с дорогой не изменяется, то замедление не зависит от скорости в течение всего периода торможения (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 — Зависимости замедления, времени торможения, тормозного и остановочного путей автомобиля от скорости движения

Находим значения замедления автомобиля при значениях коэффициента продольного сцепления (таблица 4.1).

Таблица 4.1 — Зависимость замедления автомобиля от коэффициента продольного сцепления

4.2 Время торможения

Время торможения определяется как:

(4.7)

где и — значения скорости автомобиля соответственно в начале и конце торможения.

При торможении автомобиля до полной остановки, когда, время торможения:

. (4.8)

Из этого выражения следует, что время торможения автомобиля связано линейно зависимостью со скоростью (рисунок 4.2).

Находим значения времени торможения автомобиля при значениях коэффициента продольного сцепления (таблица 4.2).

Таблица 4.2 — Зависимость времени замедления автомобиля от коэффициента продольного сцепления

4.3 Тормозной путь

Тормозным называется путь, проходимый автомобилем за время полного торможения, в течение которого замедление имеет максимальное значение:

(4.9)

При торможении до полной остановки:

. (4.10)

Из этого выражения видно, что тормозной путь автомобиля характеризуется квадратичной зависимостью от скорости. При возрастании начальной скорости тормозной путь быстро увеличивается (рисунок 4.2). Находим значения тормозного пути автомобиля при значениях коэффициента продольного сцепления (таблица 4.3).

Таблица 4.3 — Зависимость тормозного пути автомобиля от коэффициента продольного сцепления

4.4 Коэффициент эффективности торможения

В приведенных ранее формулах для определения времени торможения и тормозного пути автомобиля не учтен ряд конструктивных и эксплуатационных факторов, существенно влияющих на эффективность торможения. Поэтому в действительности значения времени и пути торможения могут быть на 20.60% больше рассчитанных по этим формулам.

Для согласования результатов теоретических расчетов с эксплуатационными данными служит коэффициент эффективности торможения . Он учитывает непропорциональность тормозных сил на колесах нагрузкам, приходящимся на колеса, а также износ, регулировку, замасливание и загрязненность тормозных механизмов. Данный коэффициент показывает, во сколько раз действительное замедление автомобиля меньше теоретического, максимально возможного на данной дороге. Значение коэффициента эффективности торможения приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 — Коэффициент эффективности торможения