Крен автомобиля на повороте. Метацентр автомобиля

Дата публикации: 4 июля 2016 г.

При прохождении автомобилем поворота возникает центробежная сила, которая стремится накренить автомобиль или, как крайний случай, — опрокинуть его. Соответствующие формулы для расчета этих сил даны в приложении. Величина крена зависит от величины центробежных сил и расстояния между точкой приложения центробежных сил (т. е. центра тяжести автомобиля) и метацентром автомобиля, т. е. от величины опрокидывающего момента автомобиля.

Автомобиль с упругой подвеской кренится относительно метацентра, положение которого зависит от способа соединения колес с подрессоренной массой автомобиля. На рисунке 1 показан способ определения положения метацентра для наиболее типичных схем установки колес.

Рис. 1. Определение метацентра при различных способах
крепления колес

На первом рисунке речь идет о короткой качающейся оси, центр качания которой обозначен S₁. Координаты метацентра определяют следующим образом: точку контакта шины с землей соединяют с центром качания полуоси колеса; точка пересечения этой прямой с плоскостью симметрии автомобиля даст положение его метацентра S.

Аналогично поступают во втором случае, когда колесо подвешено на двух поперечных рычагах разной длины. Верхний рычаг поворачивается вокруг точки S₁, а нижний — относительно точки S₂. На продолжении осей этих рычагов в точке пересечения находится действительный мгновенный центр качания колеса S₃. Соединив его с точкой контакта колеса с дорогой, находят метацентр S на высоте h₂ над землей в точке пересечения этой прямой с плоскостью симметрии автомобиля.

Мгновенный центр качания колеса при применении подвески Мак Ферсон находят следующим образом: проводят перпендикуляр к оси телескопического упругого элемента подвески в верхней точке его крепления и продляют ось нижнего рычага, качающегося относительно точки S₁. Действительный мгновенный центр качания колеса находится на их пересечении, т. е. в точке S₂; положение метацентра S определяют уже описанным методом: он находится на высоте h₃.

При повороте центробежная сила приложена в центре тяжести автомобиля и чем ближе по высоте центр тяжести расположен к метацентру, тем меньше по величине опрокидывающий момент. Пример укороченной качающейся полуоси автомобиля показан на рис. 2.

Рис. 2. Крен автомобиля с короткими качающимися полуосями

Расстояние от центра тяжести Т до метацентра S в данном случае равно t, величина опрокидывающего момента при этом равна Ot, где О — центробежная сила подрессоренной массы.

Этот момент должен восприниматься и гаситься упругими элементами подвески автомобиля, в которой возникает так называемый возвратный момент. Его величина в данном случае равна 2h'ca', где h' — сжатие упругого элемента подвески; с — жесткость элемента подвески.

Очевидно, что в данном случае крен автомобиля будет небольшим.

Если метацентр расположен низко, то крен автомобиля и плечо t будут большими. Малая жесткость упругих элементов подвески также ведет к увеличению крена автомобиля.

Для снижения крена автомобиля, особенно если он имеет мягкую подвеску, на него устанавливают стабилизатор. Чаще всего применяют торсионные стабилизаторы (см. рис. 3).

Рис. 3. Передняя подвеска автомобиля Альфета с торсионом 6 в качестве упругого элемента

Стабилизатор 1 также имеет торсион. Для регулировки нагруженности один из верхних рычагов 2 имеет регулируемую длину.

Это специальная торсионная пружина, установленная поперек автомобиля и соединенная рычагами с колесами. Если оба колеса одновременно наедут на препятствие, то стабилизатор повернется, но не скрутится. Если же на препятствие наедет одно колесо, стабилизатор, скручиваясь, стремится поднять и другое колесо. При прохождении автомобилем поворота упругий элемент подвески внутреннего (по отношению к повороту) колеса сжимается, стабилизатор стремится сжать упругий элемент подвески наружного колеса (к повороту), тем самым препятствуя чрезмерному крену автомобиля. Скручиваясь, стабилизатор сильнее сжимает наружный (к повороту) упругий элемент подвески, при этом внутренний (к повороту) разгружается.

Существует много различных способов стабилизации автомобиля. При применении гидравлической или пневматической подвесок можно установить простейший стабилизатор — поперечную листовую рессору, которая крепится в двух резиновых блоках, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Передний мост автомобиля Фиат с поперечной листовой рессорой, установленной в двух резиновых блоках и служащей стабилизатором

При подъеме одного колеса рессора прогнется, центр ее сместится вниз, а конец рессоры с другой стороны сместится вверх.

Пример:

Автомобиль с задним расположением двигателя сзади имеет укороченные качающиеся полуоси, а передние колеса закреплены на двух поперечных рычагах. Согласно рис. 1 на первом рисунке высота метацентра h₁ велика, а у переднего моста на втором рисунке — мала h₂. Если рассматривать автомобиль как жесткое целое, то его крен будет ограничиваться главным образом задним мостом, что проявляется повышенной нагрузкой на наружное заднее колесо. Поскольку стабилизатор в некоторой степени перераспределяет нагрузки на колеса, увеличивается и боковой увод колес, и автомобиль приобретает некоторую избыточную поворачиваемость. Если стабилизатор установить на переднем мосту, то увеличится величина возвратного момента (Hм/°) и устойчивости автомобиля против крена. Тем самым увеличится его нагрузка и боковой увод, в результате чего избыточная поворачиваемость автомобиля может смениться на недостаточную поворачиваемость.

Для более точного расчета боковой устойчивости автомобиля необходимо учитывать и упругость кузова на скручивание. Оба моста соединены одной торсионной пружиной. Необходимо, чтобы кузов имел достаточную жесткость на скручивание и не работал как некоторый упругий незаглушенный элемент, влияющий на управление автомобилем. Жесткость кузова на кручение выражают моментом Нм, который вызывает относительный поворот на 1° двух плоскостей кузова, удаленных друг от друга на 1 м. Жесткости кузова некоторых автомобилей приведены в таблице 7.

Таблица 7. Жесткость кузова легковых автомобилей

Параметры	Модели автомобилей
	Симка 1000	Татра 603	Вартбург	Мерседес-Бенц 220 SE
Колея передних колес (мм)	1250	1403	1190	1470
Колея задних колес (мм)	1234	1400	1260	1485
Колесная база (мм)	2220	2750	2450	2750
Рабочий объем двигателя (см³)	944	2472	1000	2195
Полный вес автомобиля (кг)	1040	1960	1300	1810
Нагрузка на передний мост (кг)	450	880	625	840
Нагрузка на задний мост (кг)	590	1080	675	970
Нагрузочная сила (Н)	4000	6000	4000	6000
Нагрузочный момент (Нм)	4000	4000	2000	3000
Максимальный прогиб (мм)	1,08	0,52	0,64	0,67
Максимальное скручивание (°)	—	0°9,5'	0°13,4'	0°8,28'
Жесткость на изгиб (Н/мм)	4820	11500	6000	13320
Жесткость на кручение (Нм/°)	—	25300	8950	21700

Автомобиль Симка 1000 из таблицы 7

Фото автомобиля Simca 1000.

В раздел «Полезные советы автомобилистам»

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки: