Секрети підвіски - (УУК - Висновок)
Говорячи про орієнтацію осі повороту керованих коліс, не можна залишити без уваги кут поперечного нахилу (SAI – Steering Axis Inclination). Цей параметр підвіски іноді належать до групи вторинних. Проте поперечний нахил осі істотно впливає на поведінку автомобіля. Його контроль дуже важливий під час діагностики підвіски.
Осі повороту рояльного та мотоциклетного коліс лежать у центральній площині обертання. На перший погляд це непоганий варіант. Чому б і на автомобілі не використати аналогічний принцип? Поширена думка, що автомобілебудівники не йдуть цим шляхом виключно через конструктивну складність. Дійсно, за існуючих схем підвіски простіше розмістити вісь повороту колеса збоку від нього. І все ж, якби це обіцяло великі переваги, рішення, напевно, знайшлося б.
Наприклад, таке, яке було реалізовано французькими конструкторами на автомобілі Citroen D у 50-ті роки і використовувалося аж до середини 70-х. Вони розташували обидва поворотні шарніри двоважільного підвіски всередині обода, в центральній площині кочення колеса. Для цього довелося перемістити гальмівні механізми на головну передачу. Вісь повороту колеса мала невеликий поздовжній кут нахилу, а поперечний кут, плече обкатки, а також і розвал дорівнювали нулю. Що з того вийшло?
За відгуками, автомобіль на швидкості впевнено форсував калюжі, бруд, снігову кашу та нерівності дороги (навіть якщо вони траплялися на шляху одного з коліс) без помітної реакції на кермі та без відхилення від прямолінійного руху. Байдужість до неприємних для звичайного автомобіля перешкод зрозуміла - будь-які сили, що діють у площині кочення колеса, не впливають на кермо.через відсутність плечей щодо осі повороту. Незважаючи на цей безумовний плюс, «ситроєнівська» схема поширення не набула. І не так через деяке погіршення ефективності гальмування, викликаної зміною місця розміщення гальм. Причина в тому, що такий спосіб повороту коліс не дозволяє використовувати ефект вагової стабілізації рульового управління і забезпечити його прийнятну чутливість.
Знову стабілізація? Так, знову. Адже стабілізація, яка досягається за рахунок кастера, на те й «швидкісна», що вона працює лише на досить високих швидкостях. При русі та маневруванні зі швидкістю пішохода «ефект рояля» зневажливо малий. У цьому випадку, щоб змусити керовані колеса чинити опір відхилення від нейтрального положення і автоматично повертатися до нього після припинення дії сил, що викликали відхилення, використовують інший механізм - стабілізацію за рахунок ваги автомобіля, що припадає на кероване колесо. Вагова стабілізація виникає головним чином завдяки нахилу осі повороту у поперечному напрямку. Чому «головним чином»? Тому що «неголовним чином» у вагову стабілізацію коліс робить внесок і кастер, але тут його вплив другорядний.
Механізм вагової стабілізації працює так. При повороті колеса його цапфа рухається дугою кола, площина якої перпендикулярна осі повороту. Якщо вісь вертикальна, цапфа переміщається горизонтально. Якщо вісь нахилена, траєкторія цапфи відхиляється від горизонталі.
У дуги, яку описує цапфа, з'являються вершина та низхідні ділянки. Положення верхньої точки дуги визначається напрямом нахилу осі повороту колеса. При поперечному нахилі вершина дуги відповідає нейтральному положенню колеса. Отже, при відхиленні колеса від нейтралів будь-який бік цапфа (а разом з нею і колесо) прагнутиме опуститися нижче за вихідний рівень. Колесо працює як домкрат - піднімає частину автомобіля, що знаходиться над ним. «Домкрату» протидіє сила, що прямо залежить від ряду параметрів: ваги піднятої частини автомобіля, кута нахилу осі, величини її поперечного зміщення та кута повороту колеса. Вона намагається повернути у вихідну, стійку позицію, тобто. повернути кермо у нейтральне положення. Виходить, що завдяки поперечному нахилу осі повороту автомобіль сам допомагає водієві "отруюватися".
Кастер також робить лепту у вагову стабілізацію рульового управління. Якщо вісь повороту колеса одночасно нахилена і в поперечному, і поздовжньому напрямку, дуга, яку описує колісна цапфа, змінює орієнтацію. Її вершина зміщується так, що цапфи обох коліс у нейтральній позиції виявляються на низхідній частині дуги. В результаті при повороті керма одна з них рухається дугою вгору, інша - вниз. Підсумок – крен передньої частини кузова, збільшення завантаження одного з коліс та посилення його вагової стабілізації. Цей ефект також використовують для оптимізації положення кузова автомобіля у повороті. Механізм вагової стабілізації працює завжди. На нерухомому або повільно рухомому автомобілі він діє на самоті, зі збільшенням швидкості йому все більшою мірою акомпанує динамічна стабілізація.
Вибір величини SAI – пошук оптимуму. Зі зменшенням поперечного кута ефективність вагової стабілізації знижується. Надмірний нахил призводить до надмірного зусилля рулювання при маневруванні, що супроводжується поворотом коліс на великий кут, наприклад, при паркуванні. Визначаючи положення осі повороту у поперечній площині (у тому числі і SAI), автомобілебудівники поряд із ваговою стабілізацієюберуть до уваги умову забезпечення оптимального плеча обкатки. З цим параметром підвіски також пов'язано чимало пересудів. Наприклад, існує невірне уявлення, що оптимум для плеча обкатки – його відсутність. Нібито, зі збільшенням плеча зростає зусилля рулювання.
Насправді плече обкатки не впливає на легкість кермового керування. Дійсно, за наявності плеча обкатки подовжні сили, що діють на керовані колеса, створюють моменти, що прагнуть розвернути їх навколо осі повороту. Але у разі рівності сил обох колесах моменти виявляються «дзеркальними», тобто. рівними та протилежно спрямованими. Взаємно компенсуючи один одного, вони не впливають на кермо. Однак моменти навантажують деталі кермової трапеції зусиллями, що розтягують або стискають (залежно від розташування плеча обкатки). Щоб обмежити ці навантаження, плече обкатки не повинно бути занадто великим. Проте здебільшого «його може бути».
Плечо обкатки – один із параметрів, який впливає на чутливість кермового керування. Завдяки йому кермо «сигналізує» водієві про порушення рівності поздовжніх реакцій на керованих колесах, що може бути наслідком проїзду перешкод та нерівностей дороги, нерівного розподілу гальмівних сил між правим та лівим колесом тощо. У цих випадках дисбаланс моментів поздовжніх сил, що раптово виникає, передається через рульове колесо на руки водія. Головне, щоб сигнал не був надмірним і не знижував комфортність і безпеку водіння. Ця важлива умова враховується при проектуванні автомобіля і нерідко порушується (частіше неусвідомлено) при його експлуатації. Справа в тому, що на величину плеча обкатки відчутно впливає конструкція колеса. Модне захоплення широкими колесами знизькопрофільними шинами, а також встановлення дисків з нештатним вильотом можуть викликати критичну зміну чутливості кермового керування.
Плечо обкатки може бути як позитивним, і негативним. Зазвичай негативне плече обкатки застосовують на автомобілях із діагональною двоконтурною гальмівною системою. Такий захід дозволяє стабілізувати поведінку автомобіля у надзвичайній ситуації – при відмові чи зниженні ефективності одного з контурів. Дисбаланс гальмівних сил призводить до появи моменту, що прагне розгорнути автомобіль щодо центру мас. При негативному плечі обкатки одночасно з цим нерівність сил гальмування викликає поворот керованих коліс у бік зменшення розвороту автомобіля. Аналогічний механізм працює при раптовому збільшенні поздовжньої реакції на одному з керованих коліс. Наприклад, при проколі шини, що викликає зростання сили опору коченню. Завдяки негативному плечу обкатки колеса і в цьому випадку повертаються так, що парують мимовільний розворот автомобіля.
Плечо обкатки зазвичай вибирають у межах плюс 50±20 мм. У деяких автомобілів із незалежною підвіскою передніх коліс у ненавантаженому стані воно може досягати 60–80 мм. При позитивному плечі обкатки SAI у більшості випадків становить 6-12 °, при негативному - 11-19 °. Як видно, негативні значення плеча набувають за рахунок збільшення SAI. Це дозволяє досягти бажаного результату без значного зменшення поперечного зміщення осі та забезпечити прийнятний стабілізуючий момент.
Поперечний нахил осі повороту керованих коліс, як ми з'ясували, впливає на стабілізацію та чутливість кермового керування. Тому SAI особливо ретельно перевіряють за наявності проблем із цими характеристиками.автомобіля. Поперечний кут нахилу також рекомендується контролювати у разі бічного дрейфу автомобіля, який не усувається регулюванням кастера та розвалу. Його причиною може бути відчутна (більше 1°) різниця SAI правого та лівого коліс. При контролі SAI потрібно мати на увазі, що цей параметр залежить від кута розвалу колеса (зі зменшенням розвалу SAI збільшується і навпаки), тому його перевірку обов'язково передують коригуванням розвалу. Відхилення SAI від норми свідчить про усунення координат однієї або обох точок підвіски, що задають положення осі повороту. Причиною усунення може бути, наприклад, деформація поворотної цапфи, чашки кріплення амортизатора, важеля, переднього підрамника або неправильне регулювання останнього, якщо таке передбачено. Уточнити причину можна одночасно аналізуючи три параметри підвіски передніх коліс: розвал, SAI та увімкнений кут.
Тема кутів установки коліс настільки цікава, наскільки об'ємна. Її, як і ремонт квартири, не можна закінчити – можна лише перервати вольовим зусиллям. Що ми робимо. На закінчення залишається висловити кілька міркувань. Приступаючи до розгляду основних УУК, ми розраховували виявити однозначні закономірності, принципи чи правила, якими керуються підвіскобудівники при виборі параметрів установки коліс. На жаль, наші розрахунки не справдилися. Виявилося, що правил не так багато, та й ті, що є, рясніють великою кількістю винятків, що знижує значущість самих правил. Сьогодні немає ніяких математичних залежностей чи комп'ютерних алгоритмів, дозволяють закласти вихідні дані (конструктивні параметри автомобіля та підвіски) і на виході отримати шуканий результат – величини сходження, розвалу, кастера тощо. Тепер зрозуміло, чим спричинена складністьматематичного визначення УУК Параметри встановлення колеса значно змінюються при зміні режиму руху та розважування автомобіля. Зміна одного параметра викликає одночасну зміну інших. Кожен параметр одночасно впливає кілька характеристик автомобіля. Поліпшення однієї з них найчастіше супроводжується погіршенням іншої. Якій характеристиці віддати перевагу, що вибрати як критерій оптимізації? Тим паче цікаво, як у такому разі визначають УУК розробники підвіски? Невже методом тика?
Вибір УУК – комплексне завдання, націлене на пошук оптимуму та вирішуване методом послідовних наближень. Рішення починається з кінематичного розрахунку положення коліс для різних умов руху. Визначення поведінки колеса в підвісках щодо простої конструкції (двоважільний або Макферсон) труднощів не викликає. Розрахунок багатоланкових підвісок виконують із застосуванням методів комп'ютерного моделювання. Далі аналізують, як зміна орієнтації колеса позначається на плямі контакту і які це матиме наслідки для критичних характеристик автомобіля: стійкості, керованості, інтенсивності зносу шин тощо. Варіюючи кінематику підвіски, «на папері» домагаються прийнятного результату, який стає відправною точкою для найважливішого етапу – експериментального доведення.
У ході випробувань виконують велику кількість спеціальних тестів (рух по прямій, по колу, в повороті, з «переставкою» тощо), реєструють об'єктивні показники (кут повороту та зусилля на кермі, максимальну швидкість маневру без відриву колеса, температуру різних зон протектора і т.д.) та суб'єктивні відчуття тест-пілотів. Найчастіше експерименти повністю перекреслюють теорію і приносять парадоксальні з теоретичної точки зору.результати. Це наводить на думку, що оптимальний комплекс УУК є своєрідною гармонією, яку неможливо «повірити алгеброю».