Устойчивость рассматривают как свойство автомобиля обеспечивать заданное водителем направление движения, нарушаемое действием боковых сил. Улучшение устойчивости автомобиля способствует повышению безопасности движения. В самой конструкции автомобиля должны быть заложены возможности, позволяющие водителю в критических ситуациях нужным образом воздействовать на направление движения.
Под аэродинамической устойчивостью понимают устойчивость в таких случаях, когда внешние возмущающие силы вызваны воздействием на автомобиль воздушных потоков.
Эта устойчивость также относится к области так называемой активной безопасности движения автомобиля.
При наличии жестких в боковом направлении колес действие на автомобиль боковых сил не вызывает изменения направления движения до тех пор, пока их величина не превысит сил сцепления колес с дорогой. У автомобиля же, колеса которого имеют пневматические шины, подверженные боковому уводу, даже небольшая по величине боковая сила может вызвать изменение параметров движения. Действие на автомобиль постоянных по величине и направлению сил может быть компенсировано соответствующим поворотом управляемых колес.
Наиболее вероятным случаем нарушения аэродинамической устойчивости автомобиля может быть отклонение от направления движения, вызываемое при большой скорости внезапным изменением угла натекания воздушного потока, т. е. сменой направления ветра. Величина этого отклонения определяется: способностью шин колес автомобиля сопротивляться боковому уводу; аэродинамическими качествами кузова; временем реакции водителя на изменение условий движения.
Равнодействующая аэродинамических сил, приложенных к автомобилю, имеет составляющую (боковую силу),
действующую в плоскости, перпендикулярной продольной оси автомобиля, и оказывающую влияние на направление его движения. Эта боковая сила пропорциональна циркуляции скорости воздуха относительно автомобиля, но так как кузов имеет сравнительно плохо обтекаемую форму, позади него возникает значительная вихревая зона. Последнее приводит к снижению циркуляции, а следовательно, и к уменьшению боковой силы, которая уравновешивается боковыми реакциями колес.
Если эту силу разложить на составляющие, приходящиеся на оси автомобиля, то на переднюю ось будет действовать сила Ру1, а на заднюю Ру2. Эти силы приведут к боковому уводу осей из-за упругости шин в поперечном направлении.
Наиболее опасным следует считать тот случай, при котором точки приложения равнодействующих активных и реактивных сил не совпадают и возникающий момент стремится повернуть автомобиль относительно вертикальной оси. При этом автомобиль считают устойчивым, если нарушение динамического равновесия явилось лишь переходом к новому установившемуся состоянию, и неустойчивым, если это нарушение стало началом процесса непрерывного изменения параметров движения.
При равенстве углов увода передней и задней осей автомобиль сохраняет прямолинейное движение под углом к направлению движения, а при их неравенстве
— движется по дуге окружности, что приводит к появлению центробежной силы.
Если обозначить составляющие центробежной силы, приходящиеся на переднюю и заднюю оси, соответственно Ryl и Ry2, то на шины передних колес будет действовать суммарная боковая сила Py1 + Ry1 а на шины задних колес Py2+Ry2. Предположим, что средний угол увода передней оси δ1
а задней оси δ2 (рис. 112). Тогда для передней оси
а для задней оси
где k1 и k2 — коэффициенты сопротивления боковому уводу шин соответственно передней и задней осей.
Рис. 113. Схема движения автомобиля: а —
при δ1>δ2;
б — при δ1<δ2
При этом после прекращения действия возмущающей силы автомобиль будет продолжать движение с небольшим отклонением от первоначального направления. При δ1<δ2
(рис. 113,б) совпадение отклонений, вызванных возмущающей и центробежной силами, приведет ко все возрастающему отклонению автомобиля от первоначального направления движения.
Рис. 112. Схема сил, действующих на автомобиль и вызывающих боковой увод шин
В соответствии со схемой сил, действующих на автомобиль (см. рис. 112), уравнение его движения можно написать в виде
Случай, когда
δ1>δ2 и вызванные поворотом автомобиля центробежные силы направлены в противоположную возмущающей силе сторону,
показан на рис. 113,
а.
где у — угол между осью дороги и направлением движения автомобиля; А1;А2;
. . В1;В2... — коэффициенты, зависящие от совокупности внешних сил, действующих на автомобиль, и его конструктивных параметров.
Выражение (69) не поддается простому интегрированию. Поэтому мы ограничимся исследованием лишь статической устойчивости автомобиля в случае появления и изменения величины боковой силы.
Составляющие центробежной силы на передней Ry1 и задней Rу2 осях могут быть определены при установившемся движении,
когда линейное и угловое ускорения равны нулю. В этом случае
где G
— полный вес автомобиля;
g — ускорение силы тяжести; а и b — расстояния от центра тяжести соответственно до передней и задней осей; L — база автомобиля; v — скорость движения; r
— радиус поворота,
перпендикулярный к плоскости продольной оси симметрии х—х автомобиля.
Радиус поворота r считают отрицательным в том случае,
когда мгновенный центр поворота находится от автомобиля с той же стороны,
откуда действует сила Ру, и положительным, когда он находится с противоположной стороны. Выразим r в функции δ1 и δ2, считая, что эти углы настолько малы, что могут быть приняты равными их тангенсам. Тогда (см. рис. 112) B1E1 = B1E2 + E2E1 и при положительном значении радиуса r отрезки В1Е1 = rδ1 B1E2 = rδ2, E2E1 = L, a r= L/(δ1—δ2).
В формулах (67) и (68) заменим Ry1, Ry2, Py1 и Ру2 и получим
где х
— расстояние от метацентра до задней оси; m1 и m2— массы, приходящиеся соответственно на переднюю и заднюю оси.
Если k1a>k2b, то δ1 и δ2
становятся бесконечно большими. Тогда скорость движения достигает критического значения:
что указывает на потерю устойчивости.
Критическое значение радиуса поворота, при котором наступает потеря устойчивости,
Исследования показывают, что величина и точка приложения силы Pv изменяются в зависимости от угла т натекания воздушного потока на автомобиль. Для первого приближения считаем,
что сила Ру постоянна по величине и определим значения δ1, δ2 и r.
Обозначим S= (v2/L2). Тогда
Кривые углов увода δ1
и δ2 в функции S будут представлять собой равносторонние гиперболы с асимптотами:
и
Кривая r(S) пересекает ось ординат в точке
а ось абсцисс в точке
Обозначим n=k1/k2. Тогда
Если, не изменяя отношения коэффициентов сопротивления уводу, увеличить их абсолютную величину, то радиус поворота возрастет, т. е. воздействие возмущающей силы станет менее чувствительным.
Значит увеличение боковой жесткости шин должно уменьшить чувствительность автомобиля к боковой силе. Полученное выражение (73) показывает также, что радиус поворота увеличивается пропорционально квадрату базы. Радиус зависит от разности k1a—k2b и расстояния метацентра от задней оси автомобиля.
Автор: Е.В.
Михайловский |