Стабилизация управляемых колес

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

Это свойство обуславливается 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 с целью 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 колеса без участия водителя вернуться в нейтральное положение, что обеспечивает удобство управления автомобилем.

В реальных условиях по ряду причин колеса могут возвращаться не точно 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 им 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 шкворней. 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 шкворней поворотных цапф.

При качении колеса с уводом в результате действия боковой силы Р_у (рис. 54а) 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, разные в разных точках контакта. В точках, только входящих в контакт, элементарные реакции равны нулю, а по мере приближения к выходу из контакта постепенно возрастают (рис. 54а).

Это объясняется тем, что чем дальше расположен элемент контактной площадки от ее переднего края, тем на большую величину 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 (рис. 54а). 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. 54б.

Боковая реакция У, являющаяся равнодействующей элементарных боковых реакций, приложена на расстоянии e от центра контакта площадки, в результате чего реакция У на плече e создаст относительно центра контактной площадки момент М_cш, который называют упругим стабилизирующим моментом шины:

М_сш=У_е=К_уδе; (194)

Как видно, из рис. 54б, упругий стабилизирующий момент шины вначале увеличивается с увеличением угла увода δ, затем, достигнув максимального значения при углах увода порядка 3…6°, начинает уменьшаться. Такое протекание зависимости М_сш = f(δ) объясняется тем, что с увеличением угла увода, а, следовательно, и боковой силы Р_у, возрастает область контакта, в которой элементарные боковые реакции достигают пределов сцепления, в результате чего уменьшается плечо е.

Если при прямолинейном движении автомобиля случайно повернутся управляемые колеса, 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

Рис. 54. Стабилизирующий момент шины

контакте с опорной поверхностью возникнут касательные реакции У, направленные, как показано на рис. 55. Моменты М_сш, создаваемые этими реакциями, будут стремиться вернуть колеса в нейтральное положение. Таким же образом реакции У, возникающие при повороте автомобиля, создают моменты М_сш, обеспечивающие 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 автомобильных колес. Однако упругий стабилизирующий момент шины не всегда и не при всех условиях движения оказывается достаточным для обеспечения оптимальной стабилизации. Дополнительные стабилизирующие моменты получаются в результате наклонного расположения шкворней поворотных цапф.

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

У большинства современных автомобилей каждый из шкворней наклонен как в продольной, так и в поперечной плоскости.

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

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

; (195)

где β_ш – угол наклона шкворня в продольной плоскости.

Величина угла β_ш у различных автомобилей различна. Чаще всего β_ш назначается в пределах от 0°…4°. У некоторых легковых автомобилей, у которых в связи с особенностями кинематики подвески наклон шкворня изменяется в зависимости от нагрузки, угол β_ш может быть значительно большим (до 10...12°). Иногда для уменьшения автоколебаний управляемых колес у легковых автомобилей наклон шкворня в продольной плоскости делают отрицательным.

Рис. 57. Поперечный наклон шкворня

В результате поперечного наклона на угол α_ш шкворня (рис. 57), если колесо отклонено от положения, при котором ось шкворня и ось поворотной цапфы находятся в одной плоскости (равновесное положение колеса), нормальная реакция Z создаст момент относительно оси шкворня, стремящийся вернуть колесо в равновесное положение. В случае, когда шкворни наклонены только в поперечной плоскости, равновесное положение совпадает с нейтральным. При этом в нейтральном положении момент М_сz у каждого из управляемых колес равен нулю, а при отклонении в любую сторону является стабилизирующим, т.е. стремится вернуть колеса в нейтральное положение. Если шкворень наклонен одновременно и в поперечной и в продольной плоскостях, то равновесное положение каждого из колес расположено относительно нейтрального под углом , где α_ш – угол наклона шкворня в поперечной плоскости. При этом на каждое из колес действует момент М_сz, стремится отклонить его от нейтрального положения к равновесному (дестабилизирующий момент). В нейтральном положении моменты, действующие на каждое из колес, равны и направлены в противоположные стороны. 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:

; (196)

где G₁- вес, приходящийся на переднюю ось;

l_ц – длина поворотной цапфы (расстояние от точки пересечения от цапфы с осью шкворня до центра колеса).

Поперечные наклоны шкворней, кроме того, что в их результате возникает стабилизирующий момент M_сz , выполняют еще одну функцию.Внешние силы, стремящиеся повернуть каждое из управляемых колес относительно шкворня, действуют на плече С (рис. 57), равном расстоянию от центра контакта до оси шкворня (плечо обкатки колеса). Чем больше угол наклона шкворня α_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, вызываемого действием на управляемые колеса внешних сил. У большинства современных автомобилей углы α_ш назначаются в пределах 4…10°.