2. Поворачиваемость автомобиля и ее влияние на безопасность движения

Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес. Есть две основных причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый поперечной эластичностью шин, и поперечный крен кузова, связанный с эластичностью подвески. Соответственно различают шинную и креновую поворачиваемость автомобиля.

Уводом называют качение колеса под углом к своей плоскости. При действии на колесо с эластичной шиной поперечной силы Р_у вектор скорости центра колеса отклоняется от плоскости вращения на некоторый угол  – угол увода. Сила Р_у и угол увода  связаны следующей зависимостью:

P_y = k_yв , (1)

где k_yв – коэффициент сопротивления уводу (первая производная от поперечной силы по углу увода), Н/рад.

Величина k_yв зависит от многих факторов, из которых наибольшее значение имеют величина угла увода, вертикальная и касательная силы, приложенные к колесу, и наклон колеса к вертикали.

Рис. 1. Схема движения автомобиля с эластичными шинами

При наличии увода центр поворота автомобиля находится не в точке О, как у автомобиля с жесткими шинами (рис. 1), а в точке O₁, т. е. в месте пересечения перпендикуляров к векторам скоростей v₁ и v₂. Траектория движения автомобиля с жесткими шинами зависит только от угла . У автомобиля с эластичными шинами на нее влияют углы увода, которые в свою очередь зависят от , v и других факторов. При наличии увода автомобиль может двигаться криволинейно, даже при  = 0. Кривизна траектории зависит от соотношения ₁ и ₂ (углы увода переднего и заднего мостов).

Если ₁ = ₂, то шинную поворачиваемость автомобиля называют нейтральной. Хотя при этом траектория движения автомобиля о жесткими шинами не совпадает с траекторией движения автомобиля, имеющего нейтральную поворачиваемость, так как центры поворота в этих случаях занимают различные положения. В случае действия поперечной силы на автомобиль, имеющий жесткие шины, он сохраняет прежнее направление движения, пока эта сила по величине не станет равной силе сцепления. Автомобиль, имеющий нейтральную шинную поворачиваемость, под действием поперечной силы движется под углом _ув к прежнему направлению движения.

Рис. 2. Схемы движения автомобиля с различной шинной поворачиваемостью: а – с недостаточной; б – с излишней

Если ₁ > ₂, то для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой управляемые колеса нужно повернуть на больший угол, чем при жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля называют недостаточной. Под действием поперечной силы Р_у (рис. 2, а) при прямолинейном движении передняя ось автомобиля с недостаточной поворачиваемостью в результате увода движется под углом ₁ к прежнему направлению движения, а задний мост – под углом ₂. Автомобиль поворачивается вокруг центра O₁, вследствие чего возникает центробежная сила Р_ц, поперечная составляющая Р_цу которой направлена в сторону, противоположную силе Р_у, что уменьшает результирующую поперечную силу и увод колес. Следовательно, автомобиль с недостаточной шинной поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное направление движения.

Если угол ₁ < ₂, то для движения автомобиля с эластичными шинами по кривой управляемые колеса нужно повернуть на меньший угол, чем при жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля называют излишней. Если на автомобиль с излишней поворачиваемостью действует центробежная сила Р_ц, то он тоже движется криволинейно (рис. 2, б). Однако составляющая Р_цу в этом случае направлена в ту же сторону, что и сила Р_у. В результате увод возрастает, что увеличивает кривизну траектории и силу Р_цу и т.д. Если водитель не повернет управляемые колеса в нужном направлении, то центробежная сила Р_ц может возрасти настолько, что автомобиль потеряет устойчивость. Таким образом, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью более устойчив и лучше сохраняет направление движения, чем автомобиль с излишней поворачиваемостью.

Для количественной оценки шинной поворачиваемости автомобиля служит коэффициент поворачиваемости

где k_ув1 и k_ув2 – коэффициенты сопротивления уводу переднего и заднего мостов автомобиля.

При излишней шинной поворачиваемости автомобиля _пов > 1, при нейтральной _пов = 1, а при недостаточной _пов < 1. Большинство автомобилей имеют недостаточную шинную поворачиваемость в ненагруженном состоянии. При полной нагрузке, напротив, автомобили имеют излишнюю поворачиваемость.

Креновая поворачиваемость автомобиля связана с конструкцией его подвески.

Рассмотрим задний мост с рессорной подвеской автомобиля, который совершает правый поворот. Передние концы рессор соединены с кузовом простым шарниром, а задние – с помощью серьги. При прогибах рессоры задний мост перемещается по дуге, причем ось его качания расположена около шарнира. Под действием поперечной силы кузов автомобиля наклоняется, вызывая сжатие левых рессор и распрямление правых. Левая рессора, сжимаясь, перемещает задний мост назад, а правая, распрямляясь, перемещает его вперед. В результате задний мост поворачивается в горизонтальной плоскости (см. рис. 3).

Если углы поворота переднего и заднего мостов не одинаковы по величине или направлению, то автомобиль вследствие крена поворачивается, хотя передние колеса остаются в нейтральном положении. Так, при действии одной и той же возмущающей силы Р_у автомобиль А (рис. 3) повернется вправо, а автомобиль Б – влево. Возникающая при повороте центробежная сила Р_ц у автомобиля А направлена в противоположную сторону по сравнению с возмущающей силой Р_у, а у автомобиля Б в ту же сторону. Поэтому автомобиль А лучше сохраняет направление движения под действием поперечных возмущающих сил. По аналогии с шинной поворачиваемостью можно сказать, что автомобиль А имеет недостаточную, а автомобиль Б излишнюю креновую поворачиваемость.

Рис. 3. Схемы движения автомобилей с зависимой рессорной подвеской, имеющих различную креновую поворачиваемость

У автомобиля с излишней креновой поворачиваемостью, на который действует поперечная сила, кривизна траектории непрерывно увеличивается. Это приводит к росту центробежной силы и дальнейшему уменьшению радиуса поворота. Однако максимальное значение угла поперечного крена обычно ограничено упорами, предусмотренными в конструкции подвески. Поэтому креновая поворачиваемость не может увеличиваться беспредельно.

Креновая поворачиваемость автомобиля тесно связана с шинной поворачиваемостью, так как увод колеса возникает не только под действием сил и моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (развале). Если направление поперечной силы совпадает с направлением развала колеса, то увод возрастает. Развал колеса, равный 1°, вызывает увод на угол 10–20'. У автомобилей с независимой подвеской колес на поперечных рычагах крен кузова вызывает изменение развала колеса. При двухрычажной подвеске колеса наклоняются в сторону крена кузова в направлении действия поперечной силы Р_у, что увеличивает угол увода моста. При однорычажной подвеске колеса наклоняются в сторону, противоположную крену кузова, навстречу поперечной силе. В этом случае угол увода моста уменьшается. Таким образом, в зависимости от конструкции подвески, креновая поворачиваемость может либо усиливать, либо ослаблять влияние шинной поворачиваемости.

Для обеспечения недостаточной поворачиваемости автомобиля необходимо, чтобы угол увода переднего моста был больше угла увода заднего моста. Поэтому у легковых автомобилей наиболее распространена передняя независимая подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге. Никогда не применяют однорычажную подвеску для переднего моста и двухрычажную для заднего, так как это приводит к резкому ухудшению управляемости автомобиля.

Автомобиль может утратить управляемость вследствие поперечного проскальзывания шин по дороге, а также увода шин.

При повышении скорости автомобиля углы увода также возрастают. При этом у автомобиля с излишней шинной поворачиваемостью угол ₂ увеличивается быстрее угла ₁. При критической скорости автомобиль начинает двигаться криволинейно, хотя его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. Следовательно, автомобиль с излишней шинной поворачиваемостью теряет управляемость, если его скорость больше критической.

У автомобиля с недостаточной или нейтральной шинной поворачиваемостью критическая скорость отсутствует.

Чтобы обеспечить недостаточную шинную поворачиваемость автомобиля, несколько уменьшают давление воздуха в шинах передних колес по сравнению с давлением в шинах задних колес и тем самым снижают коэффициент _пов. Кроме того, центр тяжести автомобиля немного смещают в сторону переднего моста, что увеличивает часть центробежной силы, действующую на управляемые колеса.