Управляемость, устойчивость и маневренность автомобиля

Управление автомобилем является главной производственной функцией водителя. Управление – целенаправленная организация процесса движения.

Процесс поворота состоит из входа в поворот, движения с постоянным радиусом и выхода из поворота.

Анализ особенностей криволинейного движения автомобиля в различных условиях позволяет выделить два режима поворотов: с малыми радиусами и невысокими скоростями – характеризующий, в основном, маневренность и с большими радиусами – высокими скоростями – характеризует устойчивость и управляемость.

Движение автомобиля как механической системы может определяться траекторией какой либо её точки, углом поворота некоторой прямой, связанной с системой относительно выбранной системы координат и перемещениями отдельных элементов системы относительно направляющей точки.

При теоретическом изучении управляемости одиночного автомобиля в качестве направляющей точки удобно выбирать центр его масс, а для автопоезда центры масс его звеньев. Зная ускорение центров масс, можно непосредственно определять силы инерции, действующие на систему.

В качестве прямой для автомобиля принимают его продольную ось, положение которой, определяют курсовым углом - γ - между её проекцией на плоскость дороги и неподвижной прямой, принадлежащей этой плоскости.

Силы, возникающие в результате управляющего воздействия курсовых и боковых параметров, являются кинематической реакцией автомобиля на управляющее воздействие.

Для поворота рулевого колеса водитель должен создавать момент, значение которого зависит от изменений параметров движения. Сопротивление повороту рулевого колеса называется силовой реакцией автомобиля на управляющее воздействие.

Характер функциональной зависимости между управляющими воздействиями и реакциями на них может служить оценкой свойств автомобиля как управляющего объекта. Управляемостью называют совокупность свойств, определяющих характеристики кинематических и силовых реакций на управляющие воздействия.

Оценочными показателями устойчивости управления являются6

1. Устойчивость управления траектории, балл;

2. Устойчивость курсового управления, балл;

3. Устойчивость управления траекторией при торможении, балл;

4. Устойчивость курсового управления при торможении, балл;

5. Предельная скорость выполнения маневра V_пр км/ч;

6. Скорость начала снижения устойчивости курсового управления траекторией

V_тр км/ч;

7. Скорость начала снижения устойчивости курсового управления V_курс км/ч.

Показатели 1…4 определяют в эксплуатационных режимах движения со скоростями V_max на специальных дорогах.

При оценке показателей 3 и 4 торможение происходит от V₀ до V=0,5V₀. На основании протоколов испытаний определяют комплексные оценки устойчивости управления.

Показатели 5…7 определяют при испытаниях на критических режимах движения, которые заключаются в в выполнении заданных разметкой манёвров.

По субъективным оценкам контролёра и водителя выставляется комплексная оценка устойчивости управления в баллах при различных скоростях движения м строится график.

Кроме того имеется целый ряд показателей и характеристик, из которых для оценки управляемости могут быть выделены следующие:

- характеристика статической траекторной управляемости;

- характеристика “рывок руля”;

- характеристика выход из поворота;

- характеристика лёгкость рулевого управления;

- предельная скорость входа в заданный поворот;

- предельная скорость входа в заданную переставку;

- средняя угловая скорость поворота рулевого колеса на прямолинейном участке дороги.

Лёгкость рулевого управления оценивается по силе Р_р на рулевом колесе, которая при j_у = 4 м/с² и скоростях движения 40 и 60 км/ч должна быть в пределах 60…120 Н.

Оценочным показателем является скорость автомобиля в момент входа в поворот.

Поворот автомобиля – изменение его курсового угла в большинстве конструкций осуществляется в результате изменения положения управляемых колёс.

Отклонение вектора скорости эластичного колеса от плоскости его вращения при действии любой по величине боковой силы называется явлением бокового увода, а угол между этим вектором и плоскостью вращения – углом увода.

Сущность этого явления (рис. 36.) можно упрощённо представить так. Если силу Р_у приложить к центру не катящегося колеса, то она в результате упругости шины вызовет боковое перемещение обода относительно контактной площадки.

Система элементарных сил, действующих со стороны дороги на колесо, представлена тремя составляющими реакциями, приложенными в центре контактной площадки и тремя составляющими моментами.

Составляющие R_x, R_y, R_z – продольная, боковая и нормальная реакции дороги.

M_f, M₀, M_c – моменты сопротивления качению, восстанавливающий и стабилизирующий.

Р_х – продольная сила,

Р_у – боковая сила, действуют со стороны автомобиля

Р_z – нормальная сила,

М – тяговый момент,

М _оп – опрокидывающий момент,

М_п – поворачивающий момент,

А – центр контакта,

О – центр колеса,

В-В – ось вращения,

С – С – плоскость вращения.

Рис. 36. Силы, действующие на колесо

Так как при действии на колесо боковой силы вектор его скорости в результате увода или бокового скольжения отклоняется от плоскости вращения, то происходит и обратное явление: при движении колеса таким образом, что вектор его скорости не совпадает с плоскостью вращения, возникает боковая реакция R_y. На этом основано направляющее действие управляемых колёс, т.е. их способность создавать силы, изменяющие направление движения автомобиля. При повороте колес их центры в первое мгновенье по инерции движутся вместе с автомобилем в первоначальном направлении, не совпадающем после поворота колёс с их плоскостями вращения. В результате этого возникнут реакции R_y, направленные так, что их моменты относительно центра масс, преодолевая инерцию автомобиля, вызывает его поворот.

Радиусом поворота R_п автомобиля называют расстояние от центра поворота до колен переднего наружного колеса.

Свойство автомобиля изменять кинематические параметры поворота под действием боковых сил при фиксированной величине угла θ называют поворачиваемостью автомобиля. Для характеристики влияния на поворачиваемость конструктивных особенностей автомобиля пользуются понятием статической поворачиваемости, определяемой соотношениями между углами увода, при действии на автомобиль постоянной боковой силы, приложенной в центре масс.

Устойчивость – совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения автотранспортного средства или его звеньев.

Оценочными показателями устойчивости являются критические параметры движения. Основные оценочные показатели следующие:

- критические скорости V_{кр φ} по боковому скольжению и V_кр.оп по боковому опрокидыванию;

- критические углы поворотов β_кр.φ по боковому скольжению и β_кр.оп – по боковому опрокидыванию;

- коэффициент поперечной устойчивости η_пу=В/2hg;

- критические скорости V_кр.ω по курсовой устойчивости и V_кр.ап автопоезда по влиянию прицепа.

Скорости V_кр.φ соответствуют установившемуся круговому движению по дороге с заданным радиусом поворота R и угла β поперечного наклона плоскости дороги к горизонту. Скорость V_кр.ω соответствует прямолинейному или установившемуся круговому движению по горизонтальной дороге. Критической скоростью V_{кр ап} называют установившуюся скорость прямолинейного движения автопоезда, при которой влияние прицепа в каждую сторону превышает 3 % его габаритной ширины.

У нас при испытании новых автомобилей используют следующие оценочные показатели:

- коэффициент поперечной устойчивости – η_пу;

- угол статической устойчивости по опрокидыванию – ε;

- угол крена ψ_кр;

- устойчивость по опрокидыванию (в баллах);

- скорость появления курсовых колебаний V_кк;

- скорость начала снижения устойчивости против опрокидывания V_опр.

На рис. 37 представлены силы, действующие на автомобиль при расчёте устойчивости.

Рис. 37. Схема сил устойчивости автомобиля

с – центр масс,

Р_ИУ – сила инерции,

ΣR_ун, ΣR_ув – боковые реакции,

Β – критический угол косогора по боковому скольжению.

Условия устойчивости, при которых происходит боковое опрокидывание – достижение равенства нулю реакций внутренних колёс обоих мостов. Для его выполнения достаточно равенства опрокидывающего момента поперечных сил на плече h_g и восстанавливающего момента силы тяжести на плече m, равным расстоянию от прямой, соединяющей центры контактов наружных колёс заднего и переднего мостов, до проекции на дорогу центра масс.

При движении на вираже это равенство запишется так:

(Р_ИУ·cosβ - G_a·sinβ)h_g)=(G_a·cosβ+Р_ИУ·sinβ)m.

V_кр.оп=3,13 ; - критическая скорость характеризует граничное по

устойчивости невозмущённое движение автомобиля.

V_кр.оп=2,21 ; (β=0) – на горизонтальной дороге.

Одной из задач управления является ориентирование в пространстве продольной оси автомобиля, т.е. обеспечение его курсового положения, определяемого курсовым углом γ. В зависимости от цели управления водитель в результате управляющего воздействия стремится или поддержать угол γ постоянным, илиизменятьегоопределённымобразом.

Кроме управляющих сил, на автомобиль действуют возмущения, вызывающие отклонения угла γ от задаваемого. К возмущениям относятся и погрешности воздействия водителя на рулевое колесо, возникающей вследствие того, что он судит о правильности воздействия только по реакции на него, которая всегда несколько отстаёт по отношению к воздействию.

Любые посторонние боковые силы, действующие на колёса, изменяют направление движений по сравнению с задаваемым водителем и изменяют курсовое положение автомобиля.

В результате изменения направления качения колёс изменяется угол γ, причём без дополнительного управляющего воздействия автомобиль не может возвратиться к прежнему положению. Следовательно, по курсовому углу автомобиль как чисто механическая система всегда неустойчив.

Внешние силы, действующие на автомобиль помимо управляющих, всегда являются для водителей случайными и неизвестными. Вызываемые ими отклонения в траектории движения и курсовом положении могут быть устранены лишь в результате управляющих воздействий. Необходимое число и величина корректирующих поворотов рулевого колеса (подруливание) зависит как от величины и характера приложения случайных сил, так и от характера реакции автомобиля на возмущения, что зависят от конструктивных особенностей автомобиля.

Маневренностью называется группа свойств, характеризующих возможность автомобиля изменять заданным образом своё положение на ограниченной площади в условиях, требующих движения по траекториям большой кривизны с резким изменением направлений, в том числе и задним ходом.

Маневренность может быть охарактеризована следующими оценочными показателями:

- Минимальный радиус поворота автомобиля – тягача R_{min .}. Расстояние от центра поворота до оси следа, переднего забегающего колеса при максимальных углах поворота управляемых колёс.

- Внешний габаритный радиус поворота R_габ.max. Замеряют для тех же условий по точке автомобиля, наиболее удалённой от центра поворота.

- Внутренний габаритный радиус R_габ.min. Определяют по точке наиболее приближённой к центру поворота. Величины R_min, R_габ.max, R_габ.max характеризуют площадь, необходимую для маневрирования и разворота автопоезда.

- Поворотная ширина автомобиля по следу колёс В_п. Разность самого большого и самого малого радиусов поворота по осям следов соответствующих колёс (наиболее удалённого и наиболее приближённого к центру поворота) определяет В_п.

Габаритная полоса движения В_габ равна разности радиусов поворота точек, наиболее удалённой и наиболее приближённой к центру поворота, т.е. В_габ=R_габ.max- R_габ.min.

- Удельная тяговая сила Ф_п при повороте. Необходимая для совершения поворота сила определяется отношением тяговой силы на ведущих колёсах к силе тяжести автомобиля при повороте его с минимальным радиусом, а также с минимальной устойчивой скоростью V_min~ 35 км/ч.

- Коэффициент использования сцепной силы колёс К_φi при повороте. Коэффициентом К_φi одного моста при повороте называется отношение суммарной силы, действующей в контакте этих колёс к потенциально возможной силе по сцеплению.

Показатели Ф_п и К_φi не нормируются. Чем меньше это отношение, тем выше потенциальная возможность автопоезда к совершению крутых поворотов.

- Усиление на рулевом колесе. Этот параметр измеряют при плавном повороте управляемых колёс автомобиля из нейтрального положения до упора в одну и другую стороны.

- Сложность осуществления управляемого движения задним ходом.

Минимальный радиус поворота для двухосного автомобиля-тягача при

V< 5 км/ч, R_min=L(Sinθ_{н max}), где:

θ_{н max} – максимальный угол поворота переднего наружного управляемого колеса;

L – расстояние между осями автомобиля.

Для трёхосного автомобиля-тягача

R_min= ,

R – радиус поворота,

С_т – смещение центра поворота тягача относительно его заднего моста.

Минимальный габаритный радиус поворота вычисляется по элементарным геометрическим формулам при наличии С_т и R_т, а также координат точки автомобиля-тягача наиболее отдалённой от центра поворота.

Поворотная ширина пятиосного автопоезда по следу колёс.

В_п=R_min-R_5В,

R_5B= - радиус поворота по колее отстающего внутреннего колеса двухосного полуприцепа.

Габаритная полоса движения. Вычисления проводят, используя элементарные геометрические формулы при наличии значений С_т, R_min, С_п, R_п, а также координат точек автопоезда, наиболее отдалённой и наиболее близкой к центру поворота.

Основными конструктивными факторами, определяющими показатели маневренности автомобилей, являются параметры L и θ_max, изменение которых существенно влияет на радиус поворота и другие показатели.

6 .6. Плавностьхода

Под плавностью ходапонимают совокупность свойств, обеспечивающих ограничение в пределах установленных норм вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов, шасси и кузова.

Основным источником возникновения вынужденных колебаний является микропрофиль дороги, геометрическая и силовая неоднородность шин, неравномерность вращения колёс.

Основными устройствами, защищающими автомобиль, водителя, пассажиров и грузы от больших динамических воздействий дороги и ограничивающими их вибронагруженность допустимым уровнем, являются подвески и шины, а также упругие сидения.

Выступы и впадины микропрофиля случайны по размерам и расположению. Колебания, возникающие при движении по дороге со случайным микропрофилем, имеют случайный характер.

Основными оценочными показателями плавности хода являются уровни вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов и характерных элементов шасси и кузова.

Оценка уровня вибронагруженности производится по средним квадратичным значениям ускорений колебаний (виброускорений) или скоростей колебаний (виброскоростей) в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Вибронагруженность оценивают логарифмическим уровнем виброскорости в (дБ).

L_v=20lgσ /(5·10^-8).

σ - среднее квадратичное значение виброскорости в октавной полосе, м/с;

5·10^-8 – значение виброскорости, с которой проводят сравнение.

Нормы допустимых виброскоростей разнятся для различных частей колебаний.

Частоты группируются в октавные полосы, каждая из которых определяется средней геометрической величиной граничных (min и max) для данной полосы частот. В первую октавную полосу водят частоты от 0,7 до 1,4 Гц. Среднее геометрическое значение равно . Для второй октавной полосы (1,4…2,8 Гц) среднее геометрическое значение равно 2 и т.д.

Основным измерителем вибронагруженности при оценке плавности хода автомобиля служит среднее квадратичное значение ускорений, которое связано со средним квадратичным значением скорости приближённой формулой:

σ =2πσ /ν₀.

σ - среднее квадратичное виброускорение, м/с²;

ν₀ – среднеегеометрическое значение частоты октавных полос, Гц.

На плавность хода и некоторые другие эксплуатационные свойства большое влияние оказывают колебания колёс и жёстко связанных с ними элементов. Нормы на эти колебания не установлены, однако, основными требованиями являются отсутствие жёстких ударов, связанных с колёсами элементов в ограничители, установленные на раме кузова.

При заводских расчётах колебаний автомобиля, пользуются колебательной системой дифференциальных уравнений, включающих шесть масс (массы обозначают – m, упругие элементы – с, демпфирующие элементы – к).

К подрессоренным массам относятся: m_в – массы водителя и пассажиров, m_тпд – массы кузова тягача и рамы с двигателем, механизмами трансмиссии и управления, m_ппд – рамы полуприцепа с укреплёнными на ней элементами.

К неподрессоренным массам относятся массы переднего и заднего мостов тягача (m_{т1 нп} и m_{т1 нп}) и моста полуприцепа m_{п нп}.

При изучении колебаний автомобиля обычно принимают допущения, что каждая шина соприкасается с дорогой в одной точке, т.е. перемещения контактных поверхностей шин, точно копируют неровность дороги. Считается, что профиль дороги под правыми и левыми колёсами каждого моста идентичны, поэтому оба эти колеса заменяют одним.

Число степеней свободы такой колебательной системы равно девяти, её колебания описываются системой девяти дифференциальных уравнений второго порядка.

Для изучения колебаний в первом приближении удобнее пользоваться упрощённой колебательной системой с тремя массами. Подрессоренная масса m_пд включает массу кузова, двигателя, механизмов трансмиссии, пассажиров, водителя, грузовую платформу, полезную нагрузку.

Эти элементы в совокупности рассматривают как твёрдое тело, имеющее две степени свободы – перемещение в вертикальном направлении и поворот в вертикальной плоскости.

Неподрессоренные массы m_{1 нп} и m_{2 нп} (передний и задний мосты) имеют по одной степени свободы – вертикальные перемещения. Таким образом, система, имитирующая в данном случае двухосный автомобиль, имеет четыре степени свободы.

6 .7. Проходимость