Устойчивость автомобиля в движении. Боковой увод

18 мая 2016 г.

Для безопасности автомобиля большое значение имеет его устойчивость во время движения. Управление транспортным средством должно быть максимально простым, недопустимы неожиданные рывки автомобиля, а в случае, если водитель растеряется и временно выпустит из рук руль, то автомобиль должен самостоятельно продолжать прямолинейное движение. Попытки создать полностью автоматизированную систему управления автомобилем до сих пор не увенчались успехом, да и в будущем применение таких систем будет ограничено главными магистралями. Поэтому с субъективной ролью водителя в безопасности движения автомобиля предстоит еще долго считаться.

В первую очередь рассмотрим прямолинейное движение автомобиля. Если автомобиль под действием какой-либо внешней силы, например бокового ветра, наезда на препятствие и т. д., отклонится от первоначального направления движения, то его колеса также отклонятся от первоначального направления, что приведет к увеличению сопротивления их качению. Под действием возросшего сопротивления автомобиль начнет тормозиться, в его центре тяжести возникнет сила инерции F_d, действующая в направлении первоначального движения. Эту силу можно разложить на составляющие (рисунок 1), действующие вдоль оси автомобиля F_x=F_dcosβ и перпендикулярно к оси автомобиля F_y=F_dsinβ.

Рисунок 1. Боковой увод автомобиля на угол β
при воздействии боковой силы

Боковая сила распределяется между передним и задним мостами в соответствии с их расстоянием до центра тяжести автомобиля. Так на передний мост действует сила F₁=F_yb/L, а на задний мост — сила F₂=F_yb/L (см. рисунок 1). Под действием силы F₁ передние колеса будут катиться с боковым уводом α₁ к направлению оси автомобиля, а задние колеса — с боковым уводом α₂ (см. рисунок 2).

Рисунок 2. При прохождении поворота в центре тяжести автомобиля возникает центробежная сила, которая обусловливает боковой увод отдельных колес

Если боковой увод передних колес больше, чем задних, то автомобиль стремится вернуться в положение первоначального направления движения (на рисунке 1 это показано пунктирной линией). В этом случае автомобиль считается устойчивым по направлению; он возвращается к первоначальному направлению движения без участия водителя.

Если боковой увод передних и задних колес одинаков, то автомобиль стремится продолжать движение под углом β—α к оси автомобиля; автомобиль считается нейтральным по направлению. В этом случае водитель должен принять участие в управлении, чтобы автомобиль не сошел самопроизвольно с дороги.

Наконец, боковой увод задних колес может оказаться больше, чем передних. В этом случае автомобиль продолжает отклоняться от первоначального направления движения, в результате чего продолжает увеличиваться сопротивление качению и величина силы инерции, приложенная в центре тяжести. Автомобиль движется по траектории, показанной штрихпунктирной линией, и если водитель не примет необходимых мер, автомобиль занесет. Такой автомобиль следует считать неустойчивым по направлению.

Если центр тяжести расположен ближе к переднему мосту, то боковая сила F₁ больше по величине и при одинаковом давлении воздуха в шинах, боковое отклонение передних колес также больше; автомобиль устойчив по направлению. Если центр тяжести автомобиля расположен ближе к заднему мосту, то сила F₂ будет больше и при одинаковом давлении накачки в шинах автомобиль будет неустойчивым по направлению. Более нагруженные задние шины следует накачивать сильнее, что ведет к уменьшению их отклонения по направлению. Правильный распределением давления в шинах можно снизить боковой увод задних колес по сравнению с передними и добиться устойчивости автомобиля по направлению.

Подобная картина, наблюдается при прохождении автомобилем поворота. В этом случае в центре тяжести автомобиля возникает центробежная сила, которую можно разложить по осям автомобиля и которая вызывает боковой увод шин (рисунок 2). Действительный центр поворота F автомобиля находится впереди заднего моста (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Действительный центр поворота двухосного автомобиля

При большем отклонении передних колес автомобиль стремится вернуться к первоначальному направлению движения. Для точного прохождения поворота водитель должен довернуть рулевое колесо на некоторый дополнительный угол. В данном случае считается, что такой автомобиль имеет недостаточную поворачиваемость. Автомобиль оказывает большее сопротивление повороту и стремится сохранить первоначальное направление движения. Такой автомобиль больше подходит для менее опытного водителя.

Если боковой увод задних колес больше, то автомобиль под действием центробежной силы произвольно поворачивается в сторону поворота сильнее, чем это соответствовало бы углу поворота передних колес, и водитель при прохождении поворота должен несколько недовернуть рулевое колесо. Если этого не сделать, автомобиль может выехать к внутренней по отношению к повороту обочине дороги или его занесет. Такой автомобиль имеет избыточную поворачиваемость. Большая избыточная поворачиваемость представляет опасность и требует от водителя большого искусства. Умеренная избыточная поворачиваемость иногда даже желательна, особенно у спортивных автомобилей. Автомобиль в этом случае проходит поворот легче, управление им меньше утомляет водителя. При прохождении поворота на границе заноса водитель должен следить за положением задка автомобиля, чтобы своевременно принять необходимые меры.

При превышении допустимой скорости автомобиль с недостаточной поворачиваемостью может выйти за пределы поворота, если не принять необходимых мер.

Аэродинамическую устойчивость автомобиля необходимо учитывать, если боковая сила, действующая на автомобиль, вызвана сильным боковым ветром. При этом большую роль играет положение точки приложения боковой силы, вызванной аэродинамическим распределением давлений на поверхность кузова автомобиля. Положение этой силы будем рассматривать по отношению к нейтральной оси автомобиля. Если боковая сила действует параллельно нейтральной оси автомобиля, то боковой увод передних и задних колес одинаков. Тем самым одновременно определяется и нейтральная ось автомобиля, которая, однако, может и не проходить через центр тяжести автомобиля. Вместе с тем она и не слишком удалена от центра тяжести.

На рисунке 4 показаны боковые уводы колес и траектории движения автомобиля при действии боковой силы F_y.

Рисунок 4. Траектория движения автомобиля под действием бокового ветра

Если эта сила приложена сзади нейтральной оси, то автомобиль под ее действием сместится относительно первоначального направления движения, но поскольку увод передних колес меньше, чем задних, то автомобиль повернется передком против ветра и вернется к осевой линии дороги. На рисунке это показано линией С. Такой автомобиль является аэродинамически устойчивым. Водитель в этом случае имеет достаточно времени, чтобы оценить ситуацию и повернуть автомобиль в нужном направлении.

Если боковая сила действует по нейтральной оси, оба боковых увода одинаковы и автомобиль лишь сместится в направлении ветра, но бокового увода не будет. При кратком порыве ветра автомобиль лишь сместится в сторону и без участия водителя возвратится в направление движения. При длительном действии ветра водитель должен довернуть рулевое колесо, компенсируя это воздействие ветра, чтобы автомобиль не «сдуло» с дороги к обочине. Такой автомобиль является аэродинамически нейтральным; его траектория движения обозначена линией А.

В последнем случае боковая сила приложена впереди нейтральной оси и боковой увод передних колес больше, чем задних. При этом автомобиль не только смещается вперед, но и поворачивается в направлении действия ветра, что показано линией В. Это наиболее опасный случай, так как автомобиль является аэродинамически неустойчивым.

Точка приложения аэродинамических сил чаще всего находится в передней половине автомобиля. Чем автомобиль совершеннее с аэродинамической точки зрения, тем больше эта точка при воздействии бокового ветра смещается вперед; так что иногда она может оказаться впереди переднего моста. Для того чтобы сместить точку приложения аэродинамических сил в заднюю половину автомобиля, необходимо увеличить профильную площадь его задней части и сопротивление боковому ведру, например, с помощью специальных элементов, имеющих большую площадь (крыльев). По этой причине автомобиль с кузовом типа «универсал» является наиболее аэродинамически устойчивым.

Улучшение аэродинамической устойчивости автомобиля путем изменения давления в шинах достаточно сложно. У автомобиля центром тяжести, расположенным ближе к заднему мосту, можно добиться лучшей устойчивости путем снижения давления в передних шинах. Это позволит сместить точку приложения аэродинамических сил вперед по отношению к нейтральной оси на необходимое расстояние хотя бы за счет того, что нейтральная ось из-за меньшего давления в передних шинах будет находиться позади центра тяжести автомашины. Автомобиль станет аэродинамически неустойчивым. Если же предотвратить это, увеличив давление в передних шинах, автомобиль приобретет излишнюю поворачиваемость, что нежелательно. Далее будет рассмотрено также влияние подвески колес на устойчивость автомобиля в движении.

У некоторых спортивных автомобилей задняя часть кузова вертикально срезана, а крыша заканчивается сверху направляющим крылом. Главным назначением этого крыла с отрицательным углом атаки является создание аэродинамической силы, которая бы прижимала задний мост к земле. Этот эффект играет очень важную роль прежде всего при торможении автомобиля. Кроме того, он позволяет на высокой скорости проходить поворот, потому что сила прижатия (нагрузка) на ось увеличивается, как бы увеличивая вес, а значит, и центробежные силы, действующие на автомобиль.

Крыло увеличивает также и аэродинамическую устойчивость, способствуя увеличению сопротивления задней части автомобиля, благодаря чему и центр приложения равнодействующих сил сопротивления смещается назад, ближе к нейтральной оси или даже за нее.

Для увеличения аэродинамической устойчивости автомобиля иногда применяются и вертикальные крылья-стабилизаторы. Часто эти стабилизаторы устанавливают на автомобили, подготавливаемые к установлению рекордов скорости. При прямолинейном движении стабилизатор почти не оказывает сопротивления. Но при отклонении оси автомобиля от направления движения (при заносе) сила сопротивления значительно возрастает, а поскольку она действует позади центра тяжести машины, то стремится вернуть транспортное средство в первоначальное положение.

В раздел «Полезные советы автомобилистам»

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

Другие материалы на сайте о безопасности автотранспорта:
	Как не уснуть за рулем автомобиля
	Особенности вождения автомобиля в плохую погоду
	Что такое аквапланирование автомобиля и как его избежать