Файл: Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник.pdf

Глава XIII

УСТОЙЧИВОСТЬ а в т о м о б и л я

§ I. ПОКАЗАТЕЛИ ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМОБИЛЯ

Под потерей автомобилем устойчивости подразумевают опрокиды­ вание или скольжение автомобиля. В зависимости от направления опрокидывания и скольжения различают продольную и поперечную устойчивость. Более вероятно и поэтому более опасно нарушение поперечной устойчивости, которое происходит под действием центробежной силы, поперечной составляющей силы тяжести автомобиля, силы бокового ветра, а также в результате ударов колес о неровности дороги.

Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются

максимально возможные скорости движения по окружности и угол поперечного уклона дороги (косогора). Оба показателя могут быть определены из условий поперечного скольжения колес (заноса) н опрокидывания. Таким образом, имеются четыре пока­ зателя поперечной устойчивости:

v3 — максимальная (критическая) скорость движения по окруж­ ности, соответствующая началу заиоса автомобиля, в м/с; ии — максимальная (критическая) скорость движения но ок­ ружности, соответствующая началу опрокидывания авто­

мобиля, в м/с; (э3 — максимальный (критический) угол косогора, соответ­

ствующий началу поперечного скольжения колес, в гра­ дусах;

р0 — максимальный (критический) угол косогора, соответ­ ствующий началу опрокидывания автомобиля, в градусах.

Во время экспериментального определения критической ско­ рости водитель резко поворачивает рулевое колесо автомобиля, движущегося прямолинейно по горизонтальной площадке, так, чтобы автомобиль как можно быстрее начал движение по окруж­ ности определенного радиуса.

При криволинейном движении автомобиля колеса, внутренние по отношению к центру поворота, под действием центробежной силы разгружаются, а внешние, наоборот, нагружаются. Чтобы предотвратить опрокидывание испытываемого автомобиля, к нему сбоку прикрепляют дополнительное колесо 1 (рис. 79, а). Если во время испытания автомобиль потеряет устойчивость и накре­ нится, то это колесо, прикоснувшись к дороге, будет препятство­

188

вать опрокидыванию. Заметив начало скольжения колес пли отрыв их от дороги, контролеры при помощи приборов определяют соответствующую скорость v3 или vQ.

Для определения критического угла косогора автомобиль устанавливают на платформу 2 (рис. 79, б), одну сторону которой поднимают талями 3 или домкратами. В момент начала опрокиды­ вания (или скольжения) автомобиля замеряют угол наклона плат­ формы при помощи угломера.

При теоретическом анализе факторов, влияющих на попереч­ ную устойчивость автомобиля, необходимо знать величину попе­ речной силы, вызывающей занос или опрокидывание автомобиля. В случае движения автомобиля на повороте такой силой является центробежная сила. Чтобы определить ее, рассмотрим схему,

Рис. 79. Испытания автомобиля на поперечную устойчивость:

а — на повороте; б — на косогоре

показанную на рис. 80. Для упрощения примем, что автомобиль является плоской фигурой и движется по горизонтальной дороге, а шины в поперечном направлении не деформируются.

Ыа участке дороги 1—2 автомобиль движется прямолинейно, и его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. Ыа участке 2—3 водитель поворачивает управляемые колеса, и автомобиль движется по кривой переменного радиуса, т. е. по так называемой первой переходной кривой. На участке 3—4 положение управляемых колес, повернутых на определенный угол 0, остается неизменным, а радиус R траектории движения средней точки зад­ ней оси — постоянным. На участке 4—5, т. е. на второй переход­ ной кривой, водитель поворачивает управляемые колеса в обрат­ ную сторону, вследствие чего радиус R постепенно увеличивает­ ся. На участке 5—6 автомобиль снова движется прямолинейно.

При равномерном движении по дуге постоянного радиуса центробежная сила (в Н)

189

р— радиус кривизны траектории центра тяжести автомо­ биля (см. рис. 80) в м.

Вместе с тем,

0 — угол между продольной осью автомобиля и вектором скорости средней точки передней оси. Этот угол прибли­ зительно равен полусумме углов поворота управляе­ мых колес (см. § 4 гл. XIV).

Потеря устойчивости автомобилем особенно опасна при боль­ шой скорости, когда движение его близко к прямолинейному. Угол 0 при этом сравнительно невелик и можно считать, что tg 0 л*

«0 рад.

Таким образом, центробежная сила, действующая на автомо­ биль при его равномерном движении по дуге окружности:

190

Поперечная составляющая центробежной силы (в Н)

Mav2d

Р и = р п c o s y L (221)

При движении по переходным кривым на автомобиль действует также сила, вызванная изменением кривизны траектории. Попе­ речная составляющая этой силы (в Н)

Мук — угловая скорость поворота управляемых колес в рад/с. Таким образом, суммарная центробежная сила, действующая

на автомобиль во время поворота управляемых колес:

движении, пропорциональна квадрату скорости автомобиля и углу 0. Сила Ру действует только во время поворота передних колес и возрастает с увеличением их угловой скорости и скорости автомобиля. При входе автомобиля в поворот скорость соук поло­ жительна, и сила Р у , складываясь с силой Р у, увеличивает опас­

ность опрокидывания или заноса. При выходе из поворота скорость ЮуКотрицательна, и автомобиль.может двигаться с большей ско­ ростью без потери устойчивости. Практически сила Р'у оказывает

влияние на устойчивость лишь в начальный момент времени (при входе в поворот) и в конечный момент (при выходе из него), когда она соизмерима с силой Р у . На остальных участках траектории в большинстве случаев влияние силы Р у незначительно.

Во время криволинейного движения автомобиля возникает также инерционный момент, действующий в горизонтальной пло­ скости, но обычно влияние этого момента на устойчивость невели­ ко и им можно пренебречь (см. момент Ми на рис. 80).

Пример. Определить поперечную составляющую центробежной силы, действующую на рассчитываемый легковой автомобиль при движении его по переходной кривой со скоростью 10 м/с в моменты времени t — 0 и t — 2 с,

угол 0 = 0, следовательно, первое слагаемое в правой части выражения (223) также равно нулю.

191

Следовательно, уже через 2 с после начала попорота спла Р у, отсут­

ствовавшая в начальный момент, стала равной 6640 Н, т. е. в 15 раз пре­ высила силу Р' (430 Н). Это позволяет в расчетах пренебречь силой Р'у

п учитывать лишь сплу Р у.

Определим критические скорости автомобиля по условиям опро­ кидывания и заноса (рис. 81, а). При повороте под действием центро­ бежной силы Ру автомобиль может опрокинуться относительно осп, проходящей через центры контактов шин наружных колес с доро­ гой. Составим уравнение моментов сил относительно этой оси:

где Z B — сумма нормальных реакций дороги, действующих на

внутренние колеса автомобиля, в Н.

Рпс. 81. Схемы для расчета:

о — критической скорости; б — критического угла косогора

В момент начала опрокидывания внутренние колеса автомо­ биля оторвутся от дороги, и реакции ZB станут равны нулю. Тогда

Подставив вместо силы Ру ее значение из формулы (221),

получим выражение для критической скорости по условиям опро­ кидывания (в м/с):

В результате действия силы Ру может начаться также сколь­ жение шин по дороге в поперечном направлении (занос). Сумма поперечных реакций Y B и Ун дороги при этом равна сумме сил сцепления с дорогой всех шин автомобиля:

^ в + Г н = Ф Уе ; Ya + Y H^ P y = -^ p -.

192

Отсюда критическая скорость по условиям заноса (в м/с)

Пример. Определить критические скоростп и0 п г>3 рассчитываемого автомобиля прп движении его по дуге радиусом 30 м; В = 1,47 м; Ац = 0,6 м;

Фу = 0,8.

Автомобиль может потерять поперечную устойчивость п во время прямолинейного движения, если водитель очень резко по­ вернет управляемые колеса, хотя бы и на небольшой угол. Возни­ кающая при этом центробежная сила может весьма быстро дости­ гнуть значения силы сцепления шии с дорогой и вызвать запое.

Определим промежуток времени, в течение которого центро­ бежная сила увеличится до опасного предела, предполагая, что водитель поворачивает управляемые колеса с постоянной ско­ ростью. В момент возникновения заноса сила Роум — Рсц или

Откудачвремя (в с)

Если скорость автомобиля велика, а коэффициент сцепления мал, то резкий поворот управляемых колес вызовет занос в тече­ ние весьма короткого промежутка времени. В особенно неблаго­ приятных условиях это время может оказаться меньше времени реакции водителя и он не успеет принять мер к ликвидации на­ чавшегося заноса.

Пример. Определить время, в течение которого может возникнуть занос рассчитываемого автомобиля при движении его по сухому асфальтобетонному