Устройство автомобилей

Устойчивость автомобиля

Факторы, вызывающие нарушение устойчивости автомобиля

Во время движения на автомобиль действуют не только управляющие силы со стороны водителя, корректирующие направление его перемещения по дороге, но и различного рода случайные силы, вызванные различными причинами, и стремящимися изменить направление движения автомобиля. К этим причинам относятся, например, неровности дороги и ее наклон, боковые порывы ветра, инерционные силы, обусловленные прохождением поворота и т. п.
Следует отметить, что некоторые из этих сил могут действовать на автомобиль и во время стоянки, пытаясь вывести его из состояния равновесия. В результате действия всех этих сил автомобиль может потерять устойчивость. При этом различают устойчивость поперечную и продольную.

Нарушение поперечной устойчивости проявляется в боковом скольжении колес или опрокидывании автомобиля в плоскости, перпендикулярной продольной оси.
Нарушение продольной устойчивости проявляется в буксовании колес, вызывающее сползание автомобиля при преодолении им крутого подъема. Опрокидывание автомобиля в продольной плоскости маловероятно и практически невозможно, поскольку у современных автомобилей центр тяжести располагается достаточно низко.

Поперечная устойчивость автомобиля

Показатели поперечной устойчивости

Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможная скорость при его движении на повороте данного радиуса и угол поперечного наклона дороги (косогора), при котором автомобиль потеряет устойчивость. Оба показателя могут быть определены из условия поперечного скольжения колес (заноса) и опрокидывания автомобиля.
Таким образом, имеются четыре показателя поперечной устойчивости:

• v_з – максимальная (критическая) скорость движения автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу бокового скольжения его колес;
• v_о – максимальная (критическая) скорость движения автомобиля по окружности (на повороте), соответствующая началу его опрокидывания;
• β_з – максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается поперечное скольжение колес;
• β_о – максимальный (критический) угол наклона, при котором начинается опрокидывание автомобиля.

Силы, действующие на автомобиль при повороте

При движении автомобиля на повороте его поперечная устойчивость может быть нарушена в результате действия инерционных сил, направленных перпендикулярно к продольной оси автомобиля. Чтобы определить эти силы рассмотрим схему, показанную на рисунке 1.
При расчетах будем считать, что автомобиль является плоской фигурой и движентся по горизонтальной дороге, а шины в поперечном направлении не деформируются.

На участке 1 – 2 автомобиль движется прямолинейно и его ведущие колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2 – 3 водитель поворачивает управляемые колеса, и автомобиль начинает двигаться по кривой переменного радиуса (первой переходной кривой). На участке 3 – 4 положение колес, повернутых на угол θ , остается неизменным, так же, как и радиус ρ_з траектории середины заднего моста. На участке 4 – 5 (второй переход кривой) водитель поворачивает управляемые колеса в обратном направлении (выравнивает их вдоль оси автомобиля), и радиус ρ_з постепенно увеличивается. На участке 5 – 6 автомобиль снова движется прямолинейно.

При равномерном движении на участке 3 – 4 (кривая постоянного радиуса) из центра поворота О через центр тяжести автомобиля на него действует центробежная сила Р_ц , пропорциональная квадрату скорости автомобиля v и его массе m , и обратно пропорциональная расстоянию ρ_ц от центра поворота до центра тяжести автомобиля (радиусу поворота):

где ω – угловая скорость автомобиля при повороте: ω = v/ρ_ц .

Расстояние ρ_ц от центра тяжести автомобиля до центра поворота О можно определить из геометрического соотношения (см. рис. 1):

где L – расстояние между передней и задней осями автомобиля (база).

При больших скоростях движения потеря устойчивости автомобиля наиболее опасна из-за вероятности заноса и даже опрокидывания. А так как в этих случаях угол поворота управляемых колес θ незначителен, то им можно пренебречь, тогда:

Таким образом, центробежная сила, стремящаяся откинуть автомобиль от центра поворота, при равномерном движении может быть определена по формуле:

Р_ц = mv 2 /(ρ_з cos γ) = mv 2 θ/(L cos γ) .

Поперечная составляющая этой силы:

При равномерном движении (переходные кривые на рис. 1) на автомобиль действует также сила Р_уII , вызванная изменением кривизны траектории. Поперечная составляющая этой силы пропорциональна скорости v автомобиля и угловой скорости ω_ук управляемых колес. Величина этой угловой скорости зависит от скорости движения: чем больше скорость, тем быстрее приходится поворачивать колеса, чтобы вписаться в поворот:

В случае неравномерного движения на автомобиль действует еще и сила Р_уIII :

где j – ускорение движения автомобиля.

Таким образом, поперечная инерционная сила, вызывающая занос и опрокидывание автомобиля при движении на повороте, в общем случае может быть определена по формуле:

Сила Р_уII действует только в процессе поворота рулевого колеса. При входе автомобиля в поворот сила Р_уII положительна и вместе с силой P_уI она увеличивает вероятность заноса и опрокидывания автомобиля.

При выходе автомобиля из поворота скорость ω_ук отрицательна и сила Р_уII частично уравновешивает силу Р_уI , и автомобиль может двигаться с большей скоростью без потери устойчивости.

Сила Р_уIII увеличивается с увеличением угла θ и ускорения j автомобиля. Поэтому во время вхождения автомобиля в поворот нарушение его устойчивости будет наиболее вероятно при разгоне, чем при движении накатом, когда ускорение j и сила Р_уIII отрицательны.

В результате поворота автомобиля вокруг центра тяжести возникает инерционный момент М_и , который пропорционален угловому ускорению и моменту инерции автомобиля.

Поперечная инерционная сила Р_у уравновешивается поперечными реакциями дороги R_у1 и R_у2 , действующими на колеса автомобиля. Инерционный момент влияет на перераспределение этих реакций, но так как это влияние на устойчивость автомобиля сравнительно невелико, то его можно не учитывать при расчетах.

Устойчивость автомобиля. Опрокидывание и его причины

Устойчивость – это совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения автомобильного транспортного средства (АТС) или его звеньев.

Признаком потери устойчивости является скольжение АТС или его опрокидывание. В зависимости от направления скольжения или опрокидывания АТС различают поперечную и продольную устойчивость.

Во время движения автомобиль имеет инерцию, а в момент начала поворота, помимо центробежной силы возникает дополнительная поперечная сила (составляющая сила инерции), направленная в том же направлении, что и центробежная сила. При очень большой скорости движения и резком повороте (поперечная составляющая сила инерции и центробежная) суммарная сила может привести даже к опрокидыванию автомобиля.

Поперечная сила С стремится нарушить устойчивость автомобиля, а сила G стремится удержать его в устойчивом положении. Колеса образуют крайние опоры автомобиля, а центр тяжести (ЦТ) расположен на равном удалении от правого и левого колес и на определенной высоте hn от поверхности дороги. Чем выше центр тяжести и уже колея автомобиля, тем больше он подвержен опасности опрокидывания.

Рис. Схема сил влияющих на поперечную устойчивость автомобиля

Опрокидывание автомобиля

Опрокидывание автомобиля может произойти как в продольной, так и в поперечной плоскости.

Опрокидывание в продольной плоскости относительно задней оси происходит в момент, когда сила давления передних колес на дорогу уменьшается до нуля. Практически до начала опрокидывания наступает буксование колес на подъеме, автомобиль сползает назад вследствие недостаточного сцепления колес с дорогой.

Возможно переворачивание автомобиля вперед при резком торможении на крутом спуске, если автомобиль имеет короткую базу и высоко расположенный центр тяжести. В данном примере возникшая сила инерции складываясь с горизонтальной составляющей силы веса, дает результирующую силу, которая выходит за пределы опорной площади передней оси автомобиля. Известны случаи опрокидывания автомобиля назад, когда при движении задним ходом автомобиль съезжает в овраг, реку и т. п.

Рис. Продольное опрокидывание автомобиля на спуске во время торможения

При движении автомобиля по дороге, имеющей поперечный уклон, возникает боковая сила, равная поперечной составляющей от веса автомобиля. Эта сила может вызвать опрокидывание автомобиля или его скольжение вбок. Устойчивость автомобиля к опрокидыванию в этом случае зависит от колеи автомобиля высоты расположения центра тяжести и угла поперечного наклона дороги.

Рис. Схема сил, действующих на автомобиль при движении на дороге, имеющей поперечный уклон

Чем выше расположен груз, тем больше высота расположения центра тяжести, следовательно, тем вероятнее опрокидывание грузового автомобиля. Чем шире колея автомобиля, тем более устойчив автомобиль как при движении на повороте, так и при движении по дороге, имеющей поперечный уклон.

Опрокидывание автомобиля в поперечной плоскости, т.е. вбок, может произойти под действием центробежной силы на повороте, при резком повороте рулевого колеса на большой скорости, сильном боковом наклоне и вследствие неправильного закрепления груза в кузове.

Неправильная укладка груза в кузове может значительно изменить положение центра тяжести, сместив его как вбок, так и вверх. Характерным примером может служить цистерна, не заполненная целиком жидким грузом. Под влиянием центробежной силы жидкий груз смещается к одной стороне цистерны, центр тяжести смещается вверх и в сторону, а сила тяжести, удерживающая автомобиль от опрокидывания, действует уже не по оси автомобиля а смещается в сторону перемещения центра тяжести.

Рис. Смещение центра тяжести жидкого груза под действием центробежной силы

Причины опрокидывания автомобиля

• при высокой скорости движения на крутых поворотах, на неблагоустроен­ных дорогах, где поперечный уклон направлен в сторону, противоположную повороту
• вследствие резкого прекращения бокового заноса при толчке заднего колеса о камень или другое препятствие
• при резком повороте рулевого колеса на большой скорости
• при неравномерном расположении груза в кузове автомобиля или его перемещении на повороте

Чтобы избежать опрокидывания, нужно на опасных участках дороги снизить скорость, плавно повернуть рулевое колесо, плавно тормозить, равномерно разместить и хорошо закрепить груз в кузове автомобиля.

Силы действующие на автомобиль при движении

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

• тяговая сила
• сила сопротивления воздуха
• сила сопротивления качению

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Сила сцепления колес с дорогой

У легковых автомобилей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

• лобового сопротивле­ния (около 55—60% всего сопротивления воздуха)
• создаваемого выступающими частями—подножками автобуса или автомобиля, крыльями (12—18%)
• возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10—15%) и др.

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

• для асфальтобетонного покрытия— 0,014—0,020
• для гравийного покрытия—0,02—0,025
• для песка—0,1—0,3

Сила сопротивления подъему

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.