Лекция 6.4. Стабилизация управляемых колёс. Устойчивость колёсной машины против заноса

6.4.1 Стабилизация управляемых колёс

К неустойчивости движения колёсной машины могут привести перемещения управляемых колёс, обусловленные упругими свойствами деталей рулевого привода и зазоров в его механизмах. Действующие на колёса силы приводят к изменению деформаций деталей рулевого привода, в результате чего колёса отклоняются от установленного положения. Эти отклонения могут быть причиной неустойчивого движения колёсной машины. Их уменьшение достигается стабилизацией управляемых колёс.

Способность управляемых колёс сохранять нейтральное положение при прямолинейном движении и самостоятельно возвращаться в это положение в случае отклонения от него называется способностью колёс к стабилизации. При хорошей стабилизации управляемых колёс машина может длительно сохранять прямолинейность движения без вмешательства водителя. Наоборот, если управляемые колёса обладают плохой стабилизацией, то при всяких случайных отклонения их в сторону водитель должен воздействовать на рулевое колесо, что делает управление машиной излишне утомительным. Большое значение имеет стабилизация управляемых колёс при повороте. Хорошая стабилизация помогает управляемым колёсам самостоятельно возвращаться в нейтральное положение в конце поворота.

Стабилизация управляемых колёс основана главным образом на использовании различных реакций почвы, действующих на колёса, для создания соответствующих стабилизирующих моментов относительно осей поворота цапф колёс. Способность колёс к стабилизации зависит от углов установки шкворней и цапф колёс, а также от боковой упругости шин.

Различают четыре вида углов установки управляемых колёс: развал колёс, наклон шкворней – поперечный и продольный и схождение колёс.

Угол развала колёс (рис. 45, а) представляет собой угол наклона средней плоскости колеса к продольной плоскости, перпендикулярной поверхности дороги. Угол развала считают положительным, если верхняя часть колеса находится дальше от середины машины, чем нижняя, как показано на рисунке.

Шкворни поворотных цапф колёс устанавливают с наклоном в двух плоскостях: поперечной и продольной. Угол поперечного наклона шкворня показан на рисунке 45, а; угол продольного наклона шкворня – на рисунке 45, б. При поперечном наклоне верхний конец шкворня располагается ближе к середине машины, чем нижний. Угол положителен, если нижний конец шкворня расположен впереди верхнего конца, а при наклоне шкворня в обратную сторону угол отрицателен.

Угол схождения колёс (рис. 45, в) характеризуется разностью расстояний и , замеренных между внутренними боковинами шин в горизонтальной плоскости, проходящей через центры обоих колёс, установленных в нейтральное положение. Этот угол положителен, если расстояние между колёсами спереди меньше, чем сзади.

Оценим влияние отдельных факторов на стабилизацию управляемых колёс.

V

Развал колёс при движении машины способствует появлению силы (составляющей нормальной реакции дороги на управляемое колесо), направленной вдоль оси колеса и постоянно прижимающей его к внутреннему подшипнику ступицы. Если бы этой силы не было, то колесо даже при небольшом осевом зазоре в подшипниках находилось бы в неустойчивом положении, прижимаясь то к внутреннему, то к наружному подшипнику. Передвижение колеса вдоль своей оси вызвало бы раскачивание управляемых колёс машины и вследствие этого повышенный износ шин и подшипников колёс, а также ухудшение устойчивости движения.

При наличии поперечного наклона шкворней выход колеса из нейтрального положения сопровождается подъёмом передней части машины. Для этой цели специально предусмотрен зазор между верхней головкой поворотного кулака и верхним торцом головки балки передней оси. Для подъёма передней части машины необходимо совершить работу, которая при прочих равных условиях будет тем значительнее, чем больше угол поперечного наклона шкворней. Таким образом, увеличение этого угла способствует стабилизации колёс. Однако с увеличением угла поперечного наклона шкворней повышается сопротивление повороту и соответственно затрудняется управление машиной.

Поперечный наклон шкворней совместно с развалом колёс уменьшает расстояние (рис. 45, а) между средней плоскостью колеса и точкой пересечения оси шкворня с поверхностью дороги. Это расстояние называют плечом обкатки колеса. Уменьшение плеча обкатки положительно влияет на устойчивость движения и одновременно способствует снижению усилий, необходимых для поворота колеса.

Правда следует отметить, что при прямолинейном движении наклонённого колеса радиусы качения шины в различных точках различны, что ведёт к увеличению сопротивления качению и повышенному износу шины. Поэтому в конструкциях машин можно отметить тенденцию к уменьшению угла развала колёс . Например, в автомобилях углы развала колёс составляют 0…+2 градусов, а в тракторах – до +4 градусов. Получение нужного плеча обкатки достигают в основном за счёт поперечного наклона шкворней, значение угла которого выбирают в пределах 4…8 градусов.

Напряжённость в зоне контакта шины с дорогой можно уменьшить, если выбрать рациональные соотношения между углами развала и схождения колёс. Наличие схождения вызывает у колёс стремление катиться «внутрь» машины, что повышает устойчивость движения и способствует нормальному и равномерному износу шин.

Стабилизации колёс способствует также продольный наклон шкворня (рис. 45, б). Результирующая боковая реакция, действующая в зоне контакта, создаёт относительно оси шкворня стабилизирующий момент, а при наличии бокового увода шин он ещё больший. Он как бы состоит из двух моментов: момент за счёт наклона оси шкворня и момент за счёт боковой упругости шины. При снижении давления воздуха в шине второй момент возрастает, поэтому углы можно уменьшить. Обычные их значения 0…2 градуса, а у легковых автомобилей иногда применяют отрицательный продольный наклон шкворней и угол .

Нормальное действие системы стабилизации управляемых колёс существенно зависит от качества технического обслуживания и состояния машины: от соблюдения требуемых углов установки колёс и шкворней, от своевременной проверки и правильного регулирования схождения колёс, от сохранения нормальных зазоров в сопряжённых деталях передней оси и рулевого привода, от деформаций, влияющих на установку колёс.

6.4.2. Устойчивость колёсной машины против заноса. Занос передней и задней оси

Если сцепление шин с дорогой в поперечном направлении недостаточно, то под действием внешней боковой силы колёса могут начать скользить. В общем случае скольжение передних и задних колёс может начаться не одновременно или происходить с разной интенсивностью, в результате чего возникает непроизвольный поворот машины вокруг какой-то вертикальной оси. Такое явление называется заносом. Заносы чаще всего наблюдаются при резких торможениях или разгонах, на поворотах, при движении по дороге с поперечным уклоном, при подскакивании колёс по неровностям и т.д. Влияние перечисленных факторов особенно проявляется на мокрых и скользких дорогах, когда сцепление колёс с дорогой ухудшается.

Склонность к заносу при торможении и разгоне объясняется тем, что в это время на колёса действуют значительные касательные реакции дороги.

Рассмотрим одновременное действие на колесо двух реакций: толкающей при разгоне (рис. 46,а) или тормозной при торможении (рис. 46,б) и боковой .

Для данных условий движения равнодействующая этих реакций может быть определена по следующим выражениям:

; .

По условиям сцепления с дорогой максимальное значение равнодействующей определяется

.

При боковая реакция также будет иметь максимальное значение . С учётом этого получим

;

.

Таким образом, чем больше толкающая реакция или тормозное усилие, действующее на колесо, тем меньше его сцепление с дорогой в боковом направлении. В предельном случае, когда толкающая реакция или тормозное усилие принимает наибольшее возможное по сцеплению колеса с дорогой значение , сила сцепления колеса с дорогой в боковом направлении . Тогда колесо начнёт скользить в поперечном направлении даже при теоретически бесконечно малой боковой силе (ветра, инерционной и т.п.).

Рассмотрим процесс заноса в упрощённом виде. Выясним, что произойдёт с двигающейся прямолинейно колёсной машиной в случае заноса передней (рис.46,б) и задней (рис. 46,а) осей.

В случае заноса передней оси, она будет двигаться со скоростью , представляющей собой равнодействующую скоростей (до заноса) и (бокового скольжения колёс). В результате этого колёсная машина начнёт перемещаться по кривой, центр которой лежит на пересечении нормалей к векторам скоростей передней и задней осей. Поперечная составляющая возникающей в процессе заноса центробежной силы направлена в сторону, противоположную скольжению передних колёс. При таком направлении центробежная сила противодействует заносу и способствует, таким образом, восстановлению заданного прямолинейного движения.

Наиболее вероятен и более опасен занос задней оси. В этом случае автомобиль начнёт поворачиваться вокруг центра (рис.46,а), лежащего на пересечении нормалей к векторам скоростей задней и передней осей. При таком положении центра поворота возникающая центробежная боковая сила усиливает занос. Начавшийся занос будет усиливаться, если своевременно не принять мер к его прекращению. Для прекращения начавшегося заноса задней оси следует уменьшить касательную силу тяги на ведущих колёсах, уменьшив подачу топлива в цилиндры двигателя, прекратить торможение и повернуть колёса в ту сторону, куда заносит заднюю ось.

Скорость этих процессов и требуемая точность регулирования параметров близки или превышают пределы физиологических возможностей человека. Почувствовать и своевременно принять меры по прекращению заноса часто не в состоянии даже опытный водитель. Поэтому важное значение имеет внедрение автоматических устройств с микропроцессорами (мини-ЭВМ), блокирующих и деблокирующих тормоза и, таким образом, препятствующих заносу.

Рассмотрим, что произойдёт при заносе задней оси во время поворота. Вследствие изменения направления движения задней оси центр поворота переместится из точки (рис. 47), где он находился до заноса, в точку , в которой пересекаются нормали к векторам скоростей задней и передней осей. Радиус поворота в результате этого уменьшится до , что приведёт к увеличению центробежной силы, действующей на колёсную машину, и к дальнейшему усилению заноса. Чтобы уменьшить опасность возникновения заноса при повороте, рекомендуется снижать скорость при входе в поворот, в особенности при движении на влажных и скользких дорогах.

На устойчивость колёсной машины против заноса влияют те же параметры, которые определяют его продольную и поперечную устойчивость. Чем больше продольная база, шире колея колёс и ниже центр тяжести, тем устойчивее колёсная машина против заноса.