Кинематика автомобиля

Кинематика касается вопросов движения тел в пространстве, и для автомобилистов этот раздел механики имеет огромное значение. Не секрет, что при прохождении поворотов у водителей зачастую возникают проблемы с выбором траектории движения транспортного средства, которые могут повлечь за собой самые негативные последствия. Именно поэтому следует уделить кинематике поворотов самое пристальное внимание

Аспекты, требующие особой внимательности

Понимание принципов движения колес автомобиля в повороте позволяет грамотно выполнять водителю все необходимые маневры даже в проблемных местах. Для наглядности можно выехать на участок дороги, на котором следы от колес будут хорошо заметны.

Сначала следует двигаться по прямой, а потом, вывернув колеса до упора, описать дугу. На прямом участке будут хорошо видны две полосы, а после начала поворота их окажется уже четыре. При этом задние колеса оставят следы ближе к центру поворота, а передние — ближе к его наружной части.

Чтобы понять суть такой картины, следует обратить внимание на такие аспекты:

• в начале движения передние колеса неизбежно уведут в сторону переднюю часть автомобиля;
• корпус машины начнет двигаться под углом относительно своего первоначального местоположения;
• в силу жесткого расположения относительно корпуса машины его задних колес, двигаться по аналогичной траектории начнут и они;
• задние колеса не будут идти по прямой вплоть до того места, где осуществят поворот передние;
• в повороте из-за этого движение автомобиля происходит полубоком, поэтому и появляются четыре следа от колес.

Такая особенность движения машины может стать причиной наезда на препятствия задними колесами или столкновения с различными объектами.

Максимальное срезание траектории и ее особенности

В процессе такого маневрирования водителю нельзя акцентировать внимание только на передней части автомобиля. У задних колес получается срезанная траектория, и разница между их следами и следами передних колес зависит от двух моментов:

• от угла поворота, совершаемого передними колесами;
• от расстояния между автомобильными осями (база).

При повороте колес до упора получается максимальное срезание траектории. Оно выражается в расстоянии между следами при выкручивании колес до упора. Зная это расстояние, водитель может рассчитать эту траекторию и, основываясь на имеющейся информации, выполнить необходимый ему маневр при подъезде к препятствию:

• если расстояние до объекта больше максимального срезания траектории – поворачивать колеса следует после его достижения передними колесами;
• если расстояние до объекта меньше максимального срезания траектории, – либо идти по прямой, либо не выворачивать колеса до упора;
• если до объекта практически не осталось места для маневра, поворот следует делать только по достижении препятствия осью задних колес.

Чем больше база, тем больше траектория срезания, поэтому у длинных и габаритных машин при прохождении поворота передние колеса зачастую выходят на встречную полосу, а задние соприкасаются с обочиной.

У автомобилей с большим задним свесом, когда имеется большое расстояние от задней оси до заднего габарита, встречается и другая проблема – при выполнении поворота идет выворачивание корпуса машины под определенным углом. При таком маневре корпуса вся передняя часть автомобиля уходит в сторону поворота, а задняя – в противоположную.

Если, к примеру, большой автобус совершает такой поворот, а рядом с ним находится легковой автомобиль, то задняя часть автобуса в ходе поворота неизбежно заденет его. Отсюда и четкое правило – никогда не следует вплотную прижиматься к габаритным транспортным средствам.

О практике грамотного прохождения поворотов

Попрактиковаться с прохождением поворотов можно, объезжая какой-нибудь статичный объект, например, столб или дерево. Схема поворота в этом случае следующая:

• сначала можно вплотную прижаться к объекту левым боком и совершить левый же поворот в тот момент, когда его оси достигли задние колеса;
• потом следует заранее просчитать боковое расстояние до объекта, которое больше максимальной траектории, после чего при достижении нужного места передними колесами можно совершать поворот.

Заранее выполнить расчет бокового расстояния до объекта сложно, и не всегда это получается сделать. Поэтому менее опытным водителям можно дать такой совет – совершая поворот, не нужно прижиматься вплотную к объекту, если же это произошло, – лучше отказаться от выполнения маневра.

1 ) Кинематика поворота: условие обеспечения единого центра поворота для всех колес двухосного автомобиля.

Для автомобиля с жесткими колесами (см. рис. 8.1), у которого векторы скоростей колес совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота лежит на продолжении оси задних колес, а ради­ус поворота (из ΔОАБ).

где L — база автомобиля; θ — угол поворота управляемых колес.

Схема поворота автомобиля с жесткими колесами:

О — центр поворота; А, Б — центры осей

скоростей передних и задних колес

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

Для автомобиля с эластичными колесами (см. рис. 8.2), векто­ры скоростей которых не совпадают с плоскостью их вращения, центр поворота находится на некотором расстоянии С от оси зад­них колес, а радиус поворота (из ΔОАБ и ΔОБВ)

где δ₁, δ₂ — углы увода передних и задних колес

2) Эластичное колесо как направляющий элемент автомобиля: виды деформации, влияние на деформацию конструктивных и эксплуатационных факторов.

3) Увод эластичного колеса: физическая сущность, угол и коэффициент сопротивления уводу. 4) Влияние увода колес на траекторию движения автомобиля при положении колесных дисков в направлении прямолинейного движения.

Уводом колеса называется его свойство катиться под углом к плоскости своего вращения вследствие действия боковой силы.

Эластичное колесо (рис) при отсутствии боковой силы катит­ся в плоскости своего вращения, а при действии боковой силы — под некоторым углом.

У гол δ_ув, образованный вектором скорости v_к колеса и плоско­стью его качения, называется углом увода. Угол увода колеса можно определить по формуле

где k_ув — коэффициент сопротивления уводу колеса.

Качение эластичного колеса

На рис. 1 показана зависимость угла увода колеса от прило­женной к нему поперечной силы. Кривая ОАБВ включает в себя следующие характерные участки: ОА — увод колеса при отсут­ствии бокового скольжения шины (δ_ув= 4. 6°); АБ — увод с час­тичным боковым проскальзыванием шины; БВ — полное сколь­жение шины вбок при Р_у = Р_сц (δ_ув = 12. 15°).

Р ис 1. Зависимость угла увода

колеса от поперечной силы:

А—В — характерные точки кривой

Рис. 2. Зависимости коэффициента

сопротивления уводу колеса от

вер­тикальной нагрузки на него

и дав­ления воздуха в шине:

Р_в1 — Р_в3 – значения давления воздуха в шине

Коэффициент сопротивления уводу колеса зависит от разме­ров и конструкции шины, давления воздуха в ней и вертикальной нагрузки на колесо. Так, при увеличении размеров шины и давле­ния воздуха в ней коэффициент сопротивления уводу возрастает. При увеличении вертикальной нагрузки на колесо он сначала ра­стет, а затем уменьшается (рис. 2). Для шин грузовых автомоби­лей и автобусов значения этого коэффициента составляют 30. 100 кН/рад, а для шин легковых автомобилей — 15. 40 кН/рад. От значения коэффициента сопротивления уводу во многом зави­сит боковое скольжение колеса. Чем меньше этот коэффициент, тем раньше начинается боковое скольжение.

4.5.3. Кинематика поворота автомобиля с эластичными коле­сами

Боковой увод мостов на по­вороте приводит к тому, что век­торы мгновенных ско­ростейV_A и V_B центров мостов отклоняются на углы увода передних колес δ₁ и задних δ₂; мгно­венный центр пово­рота пе­ремещается из точки О в точку O’, а радиус по­ворота стано­вится рав­ным R’.

Из геометрических соотно­шений следует, что

При высоких скоростях дви­жения и углы увода, и углы пово­рота управляемых колес не­велики (не превышают 10°).

В зависимости от соотношения углов увода переднего и заднего мостов радиус пово­рота R’ может быть либо равным радиусу поворота R автомобиля с жесткими ко­ле­сами, либо меньше или больше его, в зависи­мости от чего различают три вида пово­ра­чивае­мости.

Смещение центра поворота всегда происходит внутрь базы автомо­биля.

4.5.4. Поворачиваемость атс

Статическая поворачиваемость – это свойство автомобиля изме­нять кривизну траектории при фиксированной величине угла поворота управляемых колес вследст­вие бокового увода.

При некоторой скорости, которая называется критической по усло­виям увода, ав­томобиль с избыточной поворачиваемостью потеряет управ­ляемость. В этом случае он будет двигаться по криволинейно траектории радиусом R’ при не повернутых управ­ляе­мых колесах (θ = 0) только за счет разности углов увода (δ₂ — δ₁).

Критическая по условиям увода скорость движения:

.

У автомобиля с недостаточной поворачиваемостью критическая ско­рость отсут­ствует – подкоренное выражение отрицательно, с нейтральной поворачиваемостью она бесконечно велика.

Для случая избыточной поворачиваемости с целью обеспечения безопасности движения должно выполняться условие:

Чтобы обеспечить хорошую управляемость и безопасность движения при высо­ких скоростях, автомобилям придают небольшую недостаточную поворачиваемость – (δ₁ — δ₂) = 1 – 2º.

Чтобы получить необходимые параметры поворачиваемости, в кон­струкции ав­томо­биля реализуют ряд мероприятий. Давление воздуха в шинах передних колес не­сколько уменьшают, по сравнению с давлением в задних; распределяют массу автомо­биля так, чтобы часть ее, приходящаяся на передний мост M₁, могла обеспечить не­об­ходимую степень недоста­точности. Кроме того, на поворачиваемость оказывает влияние конструк­ция подвески, которую специальным образом конструируют, чтобы полу­чить необходимую разность углов увода (δ₂ — δ₁).

4.6. Устойчивость атс

Устойчивость – это совокупность свойств АТС противостоять дейст­вию возму­щающих сил, вызванных взаимодействием колес с неровно­стями дороги, аэродинами­ческими силами, наклоном дороги и др. Хорошей устойчивостью должны обладать все АТС, поскольку это свойство наряду с другими в значительной степени определяет безопасность движения.

Потеря устойчивости выражается в скольжении колес или опроки­дывании авто­мобиля. В зависимости от направления скольжения или оп­рокидывания различают про­дольную и поперечную устойчивость. Более вероятно и опасно нарушение попе­речной устойчивости.

Параметрами поперечной устойчивости могут являться:

— критические скорости кругового движения с заданным радиусом, соответст­вующие началу бокового скольжения колес или опрокидыванию АТС;

— критические углы косогора при прямолинейном движении, соот­ветствующие началу бокового скольжения или опрокидыванию;

— коэффициент поперечной устойчивости.

Кроме указанных оценочных параметров могут использоваться и другие, по­скольку общепринятая система оценочных показателей устой­чивости отсутствует.

Кинематика поворота автомобиля с жесткими колесами

Управляемость АТС

При рассмотрении тягово-скоростных и тормозных свойств АТС принималось условие его прямолинейного движения. В действительности траектория движения всегда криволинейная с непрерывно изменяющейся кривизной. Криволинейность движения обусловлена необходимостью совершать повороты в соответствии с задаваемой водителем траекторией, а также неизбежным отклонением АТС от нее вследствие действия внешних возмущающих сил. При движении на прямолинейных участках пределы изменения радиуса кривизны траектории невелики, поэтому такое движение рассматривается условно как прямолинейное. Это позволяет рассматривать эксплуатационные свойства отдельно при прямолинейном и отдельно при криволинейном движениях.

Управляемость – это свойство АТС сохранять в определенной до­рожной обста­новке заданное направление движения или изменять его в соответствии с воздейст­вием водителя на рулевое управление.

Для оценки управляемости предложено много оценочных показате­лей, в частно­сти, установленных ГОСТ Р 52302-2004. Стандарт дает под­робное определение каж­дого параметра и методы испытаний АТС.

Соотношение между углами по­ворота наружного θ_н и внутреннего θ_в управляе­мых колес, при котором обеспечивается их качение без сколь­жения, определя­ется из треугольников ONM и OPK:

где l_o – расстояние между осями пово­ротных цапф.

При этом под радиусом пони­мают расстояние от мгновенного цен­тра поворота (точка О) до продольной оси автомобиля. Из геометрических соотношений:

где θ = (θ _н + θ _в) / 2 – средний угол по­ворота управляе­мых колес.

Приведенные выше формулы выведены при до­пущении, что колеса являются же­сткими в поперечном направлении.

Однако в действительно­сти ав­томобильная шина обла­дает бо­ковой эластично­стью, и при повороте возникающие боковые силы вызы­вают ее поперечную деформа­цию. Колесо катится с уводом.

4.5.2. Боковой увод колеса

Боковой увод – это отклонение вектора скорости эла­стич­ного колеса от плоскости вращения при дейст­вии боко­вой силы. Если на колесо действует боковая сила Р_у, то век­тор скорости V_к, равный геометрической сумме скоростей V_x и V_y, отклоняется от плос­кости вращения на некоторый угол δ, который называется уг­лом боко­вого увода.

Сущность этого явления заключается в том, что при приложении к колесу силы P_у его обод сместится в направлении действия силы относительно центра площади контакта колеса с дорогой, деформируя элементы шины. Эта деформация по длине площади контакта разнообразная: впереди меньше, сзади больше. Вследствие этого продольная ось площади оказывается повернутой относительно плоскости вращения колеса на угол δ.

Результаты исследований показали, что угол увода колеса для опре­деленного со­стояния шины явля­ется функ­цией боковой силы.

На графике этой зависимости можно отметить три характерных уча­стка:

0А – угол увода ли­нейно зави­сит от бо­ковой силы;

АБ – переходной, где элементы шины начинают проскаль­зывать отно­сительно до­роги;

БВ – полное скольже­ние шины в боко­вом направлении.

Для линейного участка (0А) зависимости можно записать:

где k_d – коэффициент сопротивления уводу, Н/рад (Н/град).

Физический смысл коэффициента сопротивления уводу – это боко­вая сила в Нью­тонах, вызывающая увод колеса на 1 радиан (1 градус).

Коэффициент сопротивления уводу зависит от нормальной нагрузки на колесо, от продольной реакции, от типа и состояния дорожного покры­тия, от конструкции под­вески, от давления воздуха в шине и ее конструк­тивных параметров.

4.5.3. Кинематика поворота автомобиля с эластичными коле­сами

Боковой увод мостов на по­вороте приводит к тому, что век­торы мгновенных ско­ростей V_A и V_B центров мостов отклоняются на углы увода передних колес δ₁ и задних δ₂; мгно­венный центр пово­рота пе­ремещается из точки О в точку O’, а радиус по­ворота стано­вится рав­ным R’.

Из геометрических соотно­шений следует, что

При высоких скоростях дви­жения и углы увода, и углы пово­рота управляемых колес не­велики (не превышают 10°).

Для этих условий можно считать tg θ ≈ θ;tg (θ — δ₁) ≈ θ — δ₁; tg δ₂ ≈ δ₂ и запи­сать:

R = L / θ,

В зависимости от соотношения углов увода переднего и заднего мостов радиус пово­рота R’ может быть либо равным радиусу поворота R автомобиля с жесткими ко­ле­сами, либо меньше или больше его, в зависи­мости от чего различают три вида пово­ра­чивае­мости.

Смещение центра поворота всегда происходит внутрь базы автомо­биля.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет