Керованість та стійкість швидкісних автомобілів
При вивченні руху автомобілів найбільш складними питаннями є керованість та стійкість. Для швидкісних автомобілів ці питання мають першорядне значення, оскільки вони пов'язані з безпекою руху, на що зі збільшенням швидкості має бути звернена особливо велика увага.
Стійкість автомобіля визначається його здатністю протистояти бічному занесення та перекидання.
Під керованістю автомобіля розуміється його здатність зберігати заданий напрямок руху (що іноді називають триманням дороги), а при русі на повороті - точно слідувати повороту керованих коліс.
Обидві ці якості пов'язані між собою, так як погана керованість автомобіля призводить до втрати стійкості та занесення автомобіля. Спільне розгляд цих питань дає можливість виявити вплив основних конструктивних чинників як і тому, і у іншому відношенні.
Нижче будуть розглянуті основні умови керованості та стійкості автомобіля та фактори, від яких вони залежать, а також зазначені способи підвищення стійкості та покращення керованості швидкісних автомобілів.
Для того, щоб виявити вплив окремих факторів на керованість та стійкість автомобіля, необхідно розглянути окремо рух автомобіля по прямій та рух на повороті.
Під час руху по прямій повинна бути забезпечена хороша керованість, яка полягає в тому, що автомобіль повинен зберігати заданий напрямок, не викликаючи у водія необхідності постійно виправляти його. У тих випадках, коли коливання одного з коліс передаються через органи підвіски, кермового управління і навіть раму іншому колесу, може настати явище резонансу, що призводить до коливань всього передка автомобіля та виляння передніх коліс. Таке виляння коліс, порушившикерованість автомобіля може призвести до втрати стійкості.
При русі на повороті найбільшого значення набуває стійкість автомобіля проти занесення та перекидання під дією відцентрової сили.
При переході автомобіля до прямолінійного руху після завершення повороту велике значення для керованості має здатність автомобіля до швидкого випрямлення або так звана стабілізація. Ця здатність автомобіля також залежить від низки конструктивних факторів.
Конструктивні фактори, що впливають на керованість автомобіля
Жорсткість рами.Рама повинна мати жорсткість у горизонтальній і вертикальній площині. Для швидкісних автомобілів найбільше значення має жорсткість у горизонтальній площині (у порівнянні з автомобілями інших видів), недолік цієї жорсткості може призвести до поздовжнього зміщення одного лонжерону по відношенню до іншого, що викликає погіршення керованості. Це може статися при гальмуванні автомобіля з великої швидкості, коли внаслідок неоднакової затяжки гальм правої та лівої сторін може виникнути сила, що прагне зрушити один лонжерон стосовно іншого.
Щоб протистояти скручування, рама повинна мати достатню жорсткість також і у вертикальній площині.
Для забезпечення великої жорсткості у горизонтальній площині рама повинна мати просту трикутну форму. Однак така форма рами не набула широкого поширення, так як на ній дуже важко розміщувати агрегати силової передачі. У деяких випадках для забезпечення жорсткості рамі надають форму трапеції; Здебільшого зберігають форму рами прямокутної і досягають максимальної жорсткості застосуванням поперечних балок-траверс.
Жорсткість рами у вертикальній площині забезпечується вибором.відповідних розмірів та профілю лонжеронів. Значне підвищення жорсткості дають до-подібні та х-подібні поперечні балки.
Еластичність шин.Особливістю шин є те, що, крім деформації в радіальному напрямку, вони мають під дією бічної сили (наприклад, та повороті) деяку деформацію в бічному напрямку, так званий бічний відведення. У цьому випадку колесо котиться не у своїй площині, а під деяким кутом до неї, що називається кутом бокового відведення (рис. 131). Як показали дослідження академіка Є. А. Чудакова*, бічний відвід коліс дуже впливає на стійкість автомобіля.
Мал. 131. Деформація шини під дією бічної сили
Завдяки наявності бокового відведення коліс з'являється стабілізуючий момент шини, що прагне повернути колесо в його площину кочення, тобто вирівняти колесо в новому заданому напрямку, отриманому в результаті повороту.
Значний бічний відведення шин ускладнює керування і порушує точність роботи кермового механізму. Тому для шин швидкісних автомобілів бічна еластичність має бути зменшена порівняно з бічною еластичність шин звичайних легкових автомобілів.
Величина бічної еластичності залежить від конструкції шин, ширини профілю шини та внутрішнього тиску в ній. Підвищення внутрішнього тиску та збільшення жорсткості боковин покришок зменшують бічну еластичність шин.
Радіальна еластичність шин впливає на керованість зазвичай при великих швидкостях руху, коли інерція безпружинних мас має велике значення. При цьому від деформації шин та швидкої зміни цих деформацій можуть виникати періодичні коливання, які у разі недостатньої чутливості підвіски передаються всім агрегатам автомобіля.
У тому випадку, коливнутрішній тиск підвищується відносно небагато, шини швидкісних автомобілів зберігають більшу чутливість до нерівностей дороги, ніж ресора, особливо при наїзді на невеликі нерівності, які зустрічаються на дорогах з удосконаленим покриттям.
Підвіска автомобіля.Для забезпечення хорошої керованості автомобіля підвіска повинна пом'якшувати поштовхи і забезпечувати швидке гасіння викликаних ними коливань; крім того, вона повинна зберігати сталість ширини колії як передніх, так і задніх коліс у моменти підйомів та опускання при наїзді на нерівність дороги.
Зменшення ваги безпружинних частин дозволяє зменшити жорсткість пружних елементів підвіски (ресор, пружин або стрижнів) і отримати м'яку підвіску, що майже повністю поглинає поштовхи, що передаються колесами. При значному збільшенні внутрішнього тиску в шинах швидкісних автомобілів поштовхи від невеликих нерівностей дороги не повністю поглинаються шинами, а передаються на підвіску, яка повинна забезпечити м'якість ходу.
Неправильний вибір пружних елементів підвіски часто сприяє появі бічних і поздовжніх коливань, що викликають відповідно бічну та поздовжню хитавицю і цим погіршують стійкість автомобіля.
Для ослаблення дії коливань ресори забезпечуються амортизаторами, які зменшують амплітуду коливань ресори, не скорочуючи періоду цих коливань. Амортизатори сприяють покращенню керованості автомобіля, але вони можуть зменшити ступінь свободи та підвищити жорсткість ресор. Усунення цих негативних наслідків залежить від конструкції та регулювання амортизаторів, тому амортизатори, підібрані відповідно до параметрів вільних коливань даної підвіски, не повинні набагато збільшувати її жорсткість.
Описанівище властивості підвіски можуть впливати головним чином стійкість в поздовжній площині, т. е. зменшення поздовжніх коливань. При ресорній підвісці кожна ресора зазнає скручування від бічних зусиль, які можуть викликати великі зміни у здатності автомобіля тримати дорогу.
Конструкція та спосіб кріплення підвіски впливають як на її жорсткість, так і на збереження сталості ширини колії. При незалежній підвісці сталість ширини колії найкраще забезпечується при коливанні коліс у поздовжній площині. Збереження сталості ширини колії необхідне хорошої керованості автомобіля. У разі зміни ширини колії колеса ковзають, переміщаючись у поперечному напрямку, при цьому частина сили зчеплення виявляється використаною для цього переміщення.
Використання зчеплення коліс у поздовжньому напрямку пов'язане з використанням зчеплення коліс у поперечному напрямку. Практично коефіцієнт зчеплення коліс з дорогою можна вважати однаковим у поздовжньому та поперечному напрямку. Таким чином, використання частини сили зчеплення на переміщення коліс у поперечному напрямку зменшує зчеплення коліс у поздовжньому напрямку. Для провідних коліс автомобіля це зменшення зчеплення коліс з дорого в поздовжньому напрямку призводить до пробуксовування і ковзання коліс, внаслідок чого може настати занесення автомобіля. У разі ковзання керованих (передніх) коліс стає неможливим повернути автомобіль і він ковзатиме в колишньому напрямку з повернутими колесами; керованість автомобіля при цьому, звичайно, губиться. Крім того, при коливаннях підвіски може виникати гіроскопічний момент, що діє горизонтальній площині. Цей момент прагне повернути колесо, що також погіршує керованість.
Обидва вказаніявища, що відбуваються при зміні ширини колії, погіршують керованість та стійкість автомобіля.
Механізми керування та передні колеса.Як вказувалося, для забезпечення хорошої керованості рульове управління швидкісних автомобілів повинно мати відносно невелике передавальне число і мати оборотність. Крім того, система тяг кермового приводу не повинна передавати коливання від одного колеса до іншого, щоб уникнути можливого резонансу коливань та появи виляння передніх коліс.
Легкість керування та стабілізація передніх коліс значною мірою залежать від кутів установки передніх коліс.
Кути розвалу та сходження коліс для швидкісних автомобілів мають таке ж значення, як і для звичайних легкових автомобілів.
Кути нахилу шкворня назад (α) і вбік (β), що визначають стабілізацію керованих коліс, мають для швидкісних автомобілів дуже важливе значення, і їхня величина відрізняється від величини відповідних кутів у сучасних легкових серійних автомобілів.
При нахилі шкворня назад його вісь перетинається з дорогою в точці, яка лежить попереду точки торкання колеса з дорогою. В результаті цього при русі автомобіля на повороті бічна реакція Y, що виникає від відцентрової сили, прикладена в точці торкання колеса з дорогою, утворює момент, що стабілізує. Цей момент, що стабілізує М, рівний Y c (рис. 132а), прагне повернути колесо в нейтральне положення.
Мал. 132. Кути установки передніх коліс
Кут нахилу шворня вбік β (див. рис. 132б) також сприяє стабілізації, оскільки завдяки цьому нахилу при повертанні коліс з нейтрального положення відбувається підйом передньої частини автомобіля. В результаті витрати на підйом передньої частини автомобіля накопичується деякекількість енергії, використання якої сприяє стабілізації коліс.
У більшості сучасних легкових автомобілів кути нахилів шкворня назад та вбік мають порівняно невелике значення. У автомобіля М-20 допускають навіть негативний кут нахилу шворня назад; величина кута коливається не більше ±0,5°. У легкових автомобілів застосовують невеликі кути нахилу шворнів внаслідок встановлення шин низького тиску, що мають більшу бічну еластичність; стабілізація керованих коліс при цьому переважно відбувається за рахунок бокового відведення шин.
Для швидкісних автомобілів, що мають шини високого тиску, стабілізація керованих коліс повинна забезпечуватись відповідними кутами їх встановлення. Внаслідок цього більшість гоночних автомобілів мають відносно велику величину кутів нахилу шворня назад та вбік. Більшість сучасних гоночних автомобілів кут нахилу шкворня тому становить 2—3°, а кут нахилу шкворня убік 7—9°.
Кути установки коліс повинні зберігатися під час роботи автомобіля, тому що від цього залежить стабілізація керованих коліс під час руху.
Порушення в установці коліс внаслідок випадкових поштовхів та ударів сприяють появі шкідливих коливальних рухів (виляння).
Причина виляння полягає у конструктивних особливостях передньої частини автомобіля. Багато спостережень показують, що, окрім суто конструктивних факторів, виляння викликається також нерівномірністю накачування шин, низьким тиском у них та неврівноваженістю коліс.
Колесо автомобіля може бути врівноважене статично та динамічно. Статично врівноважене колесо знаходиться в байдужій рівновазі по відношенню до осі обертання, і ця рівновага не залежить від розподілу ваги щодо середньої площини обертанняколеса. Динамічно врівноважене колесо, навпаки, характеризується тим, що центр тяжкості лежить у середній площині обертання. Для швидкісних автомобілів особливо важливо, щоб усі колеса були динамічно збалансовані. Тому противаги, що встановлюються при врівноважуванні коліс, повинні мати симетричне розташування щодо середньої площини обертання колеса.
* Диваков Є. А., акад. Вплив бічної еластичності коліс на рух автомобілів, АН СРСР, 1947р.