Раздел 1. Безопасность транспортых средств (стр. 10 )

кН, (6.26)

и полная суммарная поперечная сила в этих случаях составляет:

кН. (6.27)

Таким образом, наибольшая вероятность потери поперечной устойчивости возникает при входе автомобиля в поворот дороги, когда одновременно с поворотом рулевого колеса происходит разгон автомобиля.

Занос может наступить и тогда, когда автомобиль движется прямолинейно, но при этом водитель резко, рывком, с большой угловой скоростью поворачивает рулевое колесо. В этих случаях в начальный момент поворота рулевого колеса центробежная сила, отсутствует, а в процессе поворота действует сила Ру. Если она превысит силу сцепления, то может произойти занос:

.

Предельная скорость, при которой он может наступить, составляет

, м/с (6.28)

а угловая скорость поворота передних колес при движении автомобиля с определенной скоростью

рад/с. (6.29)

Величина угловой скорости поворота передних колес зависит от типа автомобиля, конструкции рулевого управления и переднего моста, скорости движения, физических возможностей и психофизиологического состояния водителя. Величина максимального поворота передних колес также не выбирается водителем произвольно. Она зависит от следующих факторов:

психофизиологических особенностей организма водителя и уровня его физического развития. Выполняя маневр в критических ситуациях, водитель инстинктивно соизмеряет скорость поворота рулевого колеса со скоростью движения автомобиля: чем выше скорость автомобиля, тем меньше угловая скорость ω;

состояния проезжей части: чем меньше коэффициент сцепления, тем больше опасность заноса. На скользких дорогах следует медленнее поворачивать рулевое колесо;

конструкции переднего моста и рулевого управления, Наибольший угол поворота переднего колеса (внутреннего по отношению к центру поворота) у большинства автомобилей не превышает 33—36°.

ВНИИСЭ предлагает следующие формулы для определения угловой скорости поворота передних колес в зависимости от скорости движения и психофизиологических особенностей водителя:

для сухого асфальтобетона:

;

для мокрого асфальтобетона:

; (6.30)

для гололеда:

,

где Vа — скорость, м/с.

Усилители рулевого управления, которые устанавливаются на многих моделях автомобилей, облегчают работу водителей и позволяют достичь больших значений угловой скорости (приближающихся к максимальным).

На поворотах дорог, на автомобиль иногда может действовать боковой ветер. Поперечная сила от давления ветра, зависящая от его скорости, иногда достигает величины, которая оказывает влияние на возможность заноса. Если известна сила давления бокового ветра, то приближенно предельная скорость автомобиля, при которой может начаться занос, определяется по формуле:

м/с, (6.31)

где P — удельное давление ветра, кгс/м2;

F — площадь боковой поверхности автомобиля, м2;

γ — угол между направлением движения автомобиля и направлением ветра, град.

Формула (6.31) не учитывает влияния бокового увода автомобиля вследствие деформации шин и поэтому дает повышенное значение Vзан. В приведенных выше формулах сделано допущение, что при начале заноса передняя и задняя оси автомобиля находятся в одинаковых условиях, т. е. что боковое скольжение начинается одновременно у обеих осей. В действительности же задняя ведущая ось более подвержена заносу, так как через ее колеса передается крутящий момент, что снижает силу сцепления в поперечном направлении. Практически занос автомобиля обычно начинается со скольжения его задней оси.

Во время поворота автомобиля его внутренние и внешние колеса при действии на них поперечной силы находятся в различных условиях. Первым начинает проскальзывать (пробуксовывать) внутреннее колесо (или сдвоенные колеса) задней оси, так как на него действует меньшая вертикальная сила, чем на наружное. Ведущие колеса автомобиля нагружены также силой тяги, К началу буксования внутреннего ведущего заднего колеса большая поперечная сила воспринимается одним или сдвоенным наружным задним колесом. Если сила сцепления в поперечном направлении оказывается меньшей, чем результирующая сила тяги и поперечной силы, то начинается занос ведущей оси. При этом состояние дорожной поверхности, характеризуемое коэффициентом сопротивления качению, оказывает влияние на величину критической скорости. Чем выше коэффициент сопротивления качению, тем раньше может наступить буксование и, следовательно, занос задней оси и всего автомобиля. Таким образом, при определении критической скорости движения следует учитывать также то, что началу заноса может предшествовать предварительная пробуксовка заднего внутреннего ведущего колеса.

Критическая скорость автомобиля, движущегося, с постоянной скоростью по повороту дороги постоянного радиуса без поперечного уклона, при которой может возникнуть занос задней ведущей оси с предварительным пробуксовыванием колес ее внутренней стороны, определяется по формуле:

м/с, (6.32)

где G — вес автомобиля с грузом, кг;

L — база;

В — колея автомобиля, м;

a —расстояние по горизонтали от центра масс до оси передних колес;

R — радиус поворота дороги;

φ' — коэффициент сцепления в поперечном направлении;

f — коэффициент сопротивления качению;

g— ускорение свободного падения, м/с2.

Так как на автомобиль всегда действуют переменные по величине поперечные силы, при пробуксовке, приводящей обычно к потере сцепления в поперечном направлении, в большинстве случаев возможно возникновение заноса задней ведущей оси автомобиля. Поскольку условием возникновения заноса является неравенство Рк ≥ Рφ, где Рк — продольная сила тяги на ведущих колесах, кгс, а Рφ — сила тяги по сцеплению на ведущих колесах, кгс, при вертикальной реакции на ведущих колесах ZK и коэффициенте сцепления φ сила тяги по сцеплению Рφ = φZK. Сила тяги на ведущих колесах автомобиля в общем случае составляет:

кН, (6.33)

где G – вес автомобиля, кг;

Va – скорость автомобиля, м/с;

Vb — скорость ветра, м/с (знаки « + » при встречном, «—» — при попутном ветре);

δ — коэффициент вращающихся масс автомобиля;

jа — ускорение автомобиля, м/с2;

К — коэффициент обтекаемости;

F — площадь лобового сечения автомобиля, м2;

α — угол продольного уклона дороги, град;

f — коэффициент сопротивления качению.

При заданных дорожных условиях и полном весе автомобиля в этой формуле остается неизвестным ускорение, с которым осуществлялось движение автомобиля. При равномерном движении, когда jа = 0, при расчете может получиться, что Рk<Рφ. Однако из этого еще не следует, что при заданных дорожных условиях занос был невозможен. Для полного анализа при заданной скорости движения Vа км/ч необходимо рассчитать максимально возможную силу тяги по двигателю на ведущих колесах:

кН, (6.34)

где NД — мощность двигателя, л. с, при полном открытии дроссельной заслонки (максимальной подаче топлива) а работе на режиме, соответствующем включенной передаче iK и скорости движения.

Величину NД определяют либо по специальным номограммам, либо по скоростной характеристике двигателя. Если и в этом случае обеспечивается неравенство Рkmax<Рφ возможен вывод, что в заданных дорожных условиях пробуксовка ведущих колес как одна из причин возникновения заноса невозможна.

Заметим, что разность Рkmax—Рk может использоваться на разгон автомобиля с ускорением jа. При неравенстве Рkmax≥Рk можно сделать вывод, что причиной возникшего заноса в данных дорожных условиях может быть максимальное нажатие на педаль газа.

Такой расчет применим тогда, когда известно, что силы сцепления, действующие под правыми и левыми колесами автомобиля, одинаковы.

Если под колесами правой и левой сторон автомобиля будут действовать различные по величине силы сцепления, то превышение одной по. сравнению с другой (∆Рφ= Рφ1—Рφ2) при торможении будет вызывать стремление к развороту автомобиля и сделает его неустойчивым.

Следует также учитывать, что ведущие мосты автомобиля снабжены дифференциальными механизмами. У автомобилей обычной конструкции шестереночные механизмы дифференциалов не имеют повышенного трения. Поэтому, если силы сцепления правых и левых колес не одинаковы, то под воздействием дифференциала начинает пробуксовывать то ведущее колесо, которое имеет наименьшее сцепление с дорогой. На этом колесе может быть реализована малая сила тяги, а следовательно, к колесу будет приложен малый крутящий момент. Так как моменты на полуосях дифференциала равны между собой и вдвое меньше момента, приложенного к коробке дифференциала (его водилу), к небуксующему колесу будет приложен точно такой же момент, как и к буксующему. Поэтому на другом ведущем колесе будет реализована такая же сила тяги, как и у пробуксовывающего колеса, т. е. ее величина практически будет равна наименьшей силе сцепления, которая развивается между пробуксовывающим колесом и дорогой.

Особенно опасна разница в коэффициентах сцепления при торможении, когда продольные силы и поворачивающий момент достигают значительных величии.

Величина поворачивающего момента (при полном использовании сцепления) составляет;

, (6.35)

где φП и φл — коэффициенты сцепления у правых и левых колес;

G — вес автомобиля, кг;

В — колея, м.

Угловое ускорение автомобиля под воздействием МПОВ равно:

, (6.36)

где I – момент инерции автомобиля относительно оси, проходящей через его центр масс, Н·м/с2, а угол поворота автомобиля

. (6.37)

Максимальное значение угла γ наблюдается в том случае, когда граница между участками дорог с различными значениями коэффициента сцепления проходит через центр масс автомобиля.

приводит следующие значения максимального угла поворота γ:

для грузового автомобиля и автобуса:

;

для легкового

. (6.38)

При большой разнице в коэффициентах сцепления время поворота становится незначительным, нередко менее времени реакции водителя, что может отразиться на принятии им нужных мер.

Контрольные вопросы

1. Методы испытаний и оценка устойчивости управления автомобиля.

2. В чем заключается продольная устойчивость транспортного средства?

3. Что является оценочным критерием продольной устойчивости транспортного средства

4. Какие факторы влияют на критический угол подъема автомобиля?

5. Какими показателями характеризуется устойчивость автомобиля.

6. Факторы, снижающие устойчивость движущегося по дороге автомобиля.

7. Причины потери поперечной устойчивости автомобиля.

8. Факторы, влияющие на критическую скорость автомобиля на повороте.

9. Методы оценки показателей устойчивости управления ТС в штатных режимах движения.

10. Условия, при которых возникает занос автомобиля.

11. Критическая скорость автомобиля, движущегося, с постоянной скоростью.

12. На каких дорогах получают значения показателей устойчивости управления ТС в эксплуатационных режимах движения.

13. Для каких целей проводят испытания «переставка».

7. Управляемость автомобиля и безопасность
движения

7.1 Влияние бокового увода на устойчивость
автомобиля

Рассмотренные выше способы анализа потери устойчивости в поперечном направлении не учитывали того, что шины автомобиля могут прогибаться в боковом направлении (рисунок 7.1). При воздействии на шину поперечной силы она изгибается, что сказывается на изменении направления движения. Колесо, не изменяя плоскости качения, будет перемещаться в направлении АВ1 (рисунок 7.2) под некоторым углом δ к плоскости своего вращения. Под влиянием поперечной силы Ру средняя плоскость обода О — О (рисунок 7.1) немного сместится в сторону от средней линии отпечатка шины на дороге (линия а — а). Отпечаток шины, поэтому, также сместится в сторону; его средняя линия не будет совпадать со средней плоскостью обода колеса. Так как колесо продолжает катиться, к передней точке отпечатка шины подходят все новые ее участки. Однако эти участки будут смещены в сторону на величину бокового искривления шины.

Рисунок 7.1 Искривление сечения шины под действием поперечной силы:

а – а – средняя линия отпечатка шины на дороге; b – величина искажения шины; О – О – середина сечения неискажённой шины.

В результате движения автомобиля вперед и бокового искривления шины ось отпечатка устанавливается под некоторым углом к плоскости колеса. Фактически колесо движется под углом к первоначальному направлению движения (рисунок 7.2). Так как колеса на каждой оси связаны друг с другом, го практически они имеют одинаковый угол увода их оси. Боковой увод колеса оценивается либо величиной угла δ, который принято называть углом бокового увода, либо коэффициентом сопротивления боковому уводу Ку, представляющим собой производную поперечной силы Ру по углу увода:

. (7.1)

Коэффициент Ку характеризует склонность шины к уводу и зависит от ее конструкции (высоты и ширины профиля, угла нитей корда, слойности), ширины обода, давления воздуха в шине и нагрузки на колесо GK.

При качении колеса с уводом шина испытывает сложную деформацию, площадь контакта ее с дорогой приобретает бобовидную форму. В месте максимальной деформации элемента протектора его напряженность достигает силы сцепления, начинается проскальзывание элемента в контакте с дорогой и уменьшается его боковая деформация. Как установлено опытным путем, при небольшой поперечной силе, а следовательно, и при небольших углах увода, изменение боковой деформации шипы в контакте происходит по линейному закону.

Рисунок 7.2 Боковой увод колеса при его качении:

АВ – направление движения без увода; АВ1 – то же, с уводом; Ру – поперечная сила, действующая на автомобиль; δ – угол увода.

Для каждой шины существуют определенная наибольшая поперечная сила и наибольший угол бокового увода, при котором еще не происходит проскальзывания протектора в боковом направлении.

Эпюра распределения касательных напряжений вдоль контакта показана на рисунке 7.3.Результирующая реакция дороги Р’у, оставаясь равной и направленной противоположно поперечной силе Ру, уже не проходит через центр контакта О, а снесена относительно него на некоторую величину b. Она создаст момент относительно центра контакта, стремящийся повернуть колесо в линию с направлением движения. Стабилизирующий момент МСТ способствует сохранению нейтрального положения управляемых колес при движении автомобиля. Следовательно, при движения колеса с уводом со стороны дороги к нему приложены реакция боковой силы и момент, стремящийся повернуть его около вертикальной оси.

Рисунок 7.3 Схема действия сил в контакте шины с дорогой и образование стабилизирующего момента:

а — действие сил при небольшой величине поперечной силы; б — схема действия стабилизирующего момента.

Рисунок 7.4 Зависимость поперечной силы от угла увода для шин, имеющих различную нагрузку Gk и внутреннее давление Рω:

Наибольшие углы увода, при которых еще не наблюдается бокового проскальзывания элементов протектора, у шин легковых автомобилей равны 3—5°,а грузовых — 4—5о. В этих пределах угол увода прямо пропорционален поперечной силе. При больших углах увода линейная зависимость нарушается.

Зависимость между поперечной силой Ру и углом увода для ряда шин, полученная опытным путем, приведена на рисунке 7.4. Когда поперечная сила Ру сравнивается по величине с силой сцепления Pφ=φZ’, начинается полное скольжение шины.

Наибольшее влияние на коэффициенты сопротивления боковому уводу современных шин оказывает изменение радиальной нагрузки на колесо. Так как деформация шины при уводе в радиальном и поперечном направлениях увеличивается, внутреннее трение в ней возрастает. При увеличении увода частицы протектора интенсивно проскакивают по дороге. В результате сопротивление качению резко возрастает. В таблице 7.1 приведены средние значения коэффициентов сопротивления боковому уводу для ряда шин.

Таблица 7.1

Размеры шин	Модели шин	Коэффициент сопротивления уводу шины при номинальной нагрузке и рабочем давлении воздуха	Суммарный коэффициент сопротивления уводу передней оси автомобиля при повороте с 50-процентным перераспределением нагрузки, Н/рад
Н/град	Отнесенный к величине радиальной нагрузки
5,20—13	М-61	40,0	8,34	61,2
155—13	И-151	48,6	8,90	86,1
5,60—15	М-57А	38,2	6,63	65,2
5,60—15	М-69А	44,0	7,64	77,5
155—15	М-122	50,6	8,83	82,5
6,45—13	М-119АР-6	50,5	7,82	79,7
6,45—13	М-119А	57,2	8,85	98,7
65—13	М-130	55,3	8,58	63,0
6,45—13	М-130А	58,3	9,04	93,5
6,00—13	М-107	39,8	7,06	47,0
6,40—13	М-100	40,6	7,05	63,0
6,70—15	И-194	53,1	6,20	100,0
175—15	Л-260	52,5	6,10	90,4
6,70—15	И-А42	55,1	6,30	96,7
185—15	Л-288	72,0	8,60	117,2
7,35—14	И-146	58,2	7,67	103,5
185—14	И-Л156	74,0	9,75	129,1
200—20	И-238А	81	5,82	133
7,50—20	Я-44	71	5,08	140
220—508	МИ-126Б	66	4,75	120
220—508	МИ-126А	88	4,94	134
220—508	И М-140	86	6,18	144
200—508Р	И-32	77	5,56	143
7,50—20РС	Я-212Д	52	3,76	93
8,25—20	ИК-6	109	6,90	204
240—508	МИ-20	97	6,15	185
240—508Р	И-34	85	5,38	167
240—508РС	Я-271	35	2,21	68
12,00—20	М-93	203	2,77	335
320—508	ИЯВ-12	238	5,46	393
300—508Р	И-А68	387	8,87	688
260—508Р	ИН-99	173	7,13	348
260—20	И-202	183	7,56	341
260—508	М-103Б	160	6,60	294

Из уравнения (7.1) следует, что угол увода