6 Расчет показателей устойчивости автомобиля

Методические указания:

Устойчивость автомобиля непосредственно связана с безопасностью автомобиля.

Управляя неустойчивым автомобилем, водитель вынужден внимательно следить за дорожной обстановкой, и постоянно корректировать движение автомобиля, чтобы он не выехал за пределы дороги. Длительное управление таким автотранспортом приводит к непрерывному перенапряжению водителя и быстрому его утомлению, что повышает возможность ДТП.

Под устойчивостью понимают совокупность свойств, определяющих положение автотранспортного средства или его звеньев при движении.

Нарушение устойчивости выражается в произвольном изменении направления движения, его опрокидывании или скольжении шин по дороге.

Различают продольную и поперечную устойчивость автомобиля. Более вероятна, и опасна потеря поперечной устойчивости.

Траектория движения автомобиля всегда является криволинейной, причем кривизна ее непрерывно меняется. Поэтому прямолинейное движение автомобиля - понятие условное, подразумевающее, что при неизменном направлении движения смещения его не превосходят некоторых пределов.

Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться без корректирующих воздействий со стороны водителя, т. е. при неизменном положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью произвольно меняет направление движения («рыскает» по дороге), создавая угрозу другим транспортным средствам и пешеходам.

Показателями курсовой устойчивости служат: средняя скорость поперечного смещения V_п и средняя угловая скорость поворота рулевого колеса ω_р. Потеря поперечной устойчивости при криволинейном движении может привести к прогрессивно нарастающему поперечному скольжению шин по дороге (заносу) или опрокидыванию автомобиля. «Рыскание» автомобиля на криволинейных участках дороги обычно не наблюдается. Поскольку скорости при этом относительно невелики.

Показателями поперечной устойчивости автомобиля при криволинейном движении являются:

• максимально возможные (критические) скорости движения по дуге окружности – по боковому скольжению V_ск и боковому опрокидыванию V_опр;

• углы поперечного уклона дороги (косогора) – по боковому скольжению β_ск и и по боковому опрокидыванию β_опр.

Оба показателя могут быть определены из условий заноса или опрокидывания автомобиля.

Потеря автомобилем продольной устойчивости выражается, как правило, в буксовании ведущих колес, особенно часто наблюдаемом при преодолении автопоездом затяжных подъемов со скользкой поверхностью. Опрокидывание автомобиля в продольной плоскости возможно лишь как исключение. Показателями продольной устойчивости автомобиля служат максимальные величины углов подъема, преодолеваемого транспортным средством без буксования ведущих колес.

Для определения расчетными методами величин практических скоростей поперечного скольжения и опрокидывания в зависимости от радиуса поворота дороги в плане и дорожных условий можно использовать выражения для критической скорости при движении автомобиля на повороте:

– для случая поперечного скольжения:

; (6.1)

– для случая поперечного опрокидывания:

. (6.2)

где – радиус поворота, м;

– коэффициент сцепления шин с дорогой в поперечном направлении;

– среднее значение ширены колеи автомобиля, м;

h_g – высота центра тяжести полностью груженого автомобиля, м;

β – угол поперечного уклона дороги, град.

Для случая поперечного скольжения (для расчетов угол поперечного уклона дороги принимаем β = 0):

. (6.3)

Для случая поперечного опрокидывания (для расчетов угол поперечного уклона дороги принимаем β = 0):

; (6.4)

. (6.5)

Выражая из уравнения (6.5) hg, получим:

. (6.6)

где η_пу – коэффициент поперечной устойчивости автомобиля (в расчетах может быть принят для отечественных автомобилей: легковых – 0,95-1,15, грузовых – 0,6-0,8, автобусов – 0,9-1,2).

Из условия равенства поперечных сил сцепления шин с дорогой и поперечных сил, действующих на автомобиль при движении на повороте:

. (6.7)

Можно также найти максимальный угол поперечного уклона дороги (косогора), по которой автомобиль движения без скольжения:

. (6.8)

На прямолинейном участке дороги:

. (6.9)

Из уравнения моментов сил относительно оси, проходящей через контакты шин внешних сил, находят значение максимально допустимого угла косогора, по которому автомобиль может двигаться без опрокидывания:

. (6.10)

При движении на прямолинейном участке:

. (6.11)

т.е. β_опр равен коэффициенту поперечной устойчивости автомобиля η_пу.

Вышеприведенные формулы (6.1 – 6.4, 6.8, 6.10), используемые для расчета параметров , , , , справедливы лишь для случая, когда предполагают, что автомобиль представляет собой жесткую систему. В действительности он является сложной системой с шарнирными и упругими связями и элементами. Поэтому под действием поперечных сил кузов автомобиля поворачивается и наклоняется в поперечном направлении. При этом упругие элементы подвески (рессоры, пружины и т.д.) деформируются. Упруго деформируются и шины АТС. С учетом этих элементов критическая скорость опрокидывания на 10-15% меньше, чем полученная для жесткой системы.

При определении критической скорости поперечного скольжения часто допускают, что продольные силы отсутствуют, и колеса обоих осей автомобиля скользят в поперечном направлении одновременно. Такое явление в практике наблюдается очень редко, обычно раньше начинают скользить колеса или переднего, или заднего мостов.

Без учета динамических нагрузок критическую скорость скольжения колес передней оси определяют по следующей формуле:

, (6.12)

а задней:

, (6.13)

где – удельная касательная реакция, = ;

и – коэффициенты изменения вертикальных реакций при разных режимах движения;

– угол поворота управляемых колес.

Для двухосных автомобилей в активном режиме = 0,8 0,9; = 1,05 1,1; в режиме торможения – =l ,2 1 ,3; =0,7 0,8.

При активных режимах движения у заднеприводных автомобилей , =f, т.е. >> , а при торможении – > . Поэтому во всех случаях > , т.е. наиболее вероятен занос заднего моста, что приводит к изменению мгновенного радиуса поворота автомобиля, соответственно, к росту центробежной силы и непрерывному изменению радиуса поворота. Такое движение автомобиля называется заносом. Занос чрезвычайно опасен, т.к. развивается очень быстро и может привести к опрокидыванию АТС.

В данной работе необходимо по формулам (6.1, 6.2, 6.8-6.11) определить значения V_ск, V_опр, β_ск, β_опр согласно заданию, в котором указывается марка автомобиля, значения коэффициента поперечного сцепления шин с дорогой , предельные значения радиуса поворота R и угла поперечного уклона дороги β.

Исходные данные и расчетные значения, вычисленные по формулам 6.1, 6.2, 6.8-6.11, необходимо занести в таблицы 6.1 и 6.2, и на их основе построить соответствующие графики зависимостей соответствующих функций: V_ск =f(R), V_опр = f(R) (рисунок 6.1) и β_опр=f(R), β_ск= f(R) (рисунок 6.2).

Таблица 6.1 – Расчетные значения V_ск, V_опр в зависимости от радиуса R поворота автомобиля и угла поперечного уклона дороги

β, град	R, м	20	40	60	80	100	120
	Vск, м/с
	Vопр, м/с
	Vск, м/с
	Vопр, м/с
	Vск, м/с
	Vопр, м/с

Таблица 6.2 – Расчетные значения β_ск, β_опр в зависимости от скорости V движения автомобиля и радиуса поворота R

R, м	V, м/с	5	10	15	20	25	30
	βск, град
	βопр, град
	βск, град
	βопр, град
	βск, град
	βопр, град

Рисунок 6.1 – Графики зависимости критической скорости заноса и

опрокидывания от радиуса поворота дороги: V_ск =f(R), V_опр = f(R)

Рисунок 6.2 – Графики зависимости угла опрокидывания и скольжения

от скорости автомобиля: β_опр=f(R), β_ск= f(R)

Пример расчета:

1) В качестве примера произведем расчет критической скорости заноса и опрокидывания в зависимости от радиуса поворота дороги и расчет угла опрокидывания и скольжения в зависимости от скорости автомобиля, по варианту №67. Исходные данные для расчета представлены в таблице исходных данных, а требуемые геометрические размеры автотранспортного средства в приложении Б.

2) Используя формулу 6.1, рассчитаем критическую скорость движения автобуса ЛиАЗ-5256 на повороте для случая поперечного скольжения, при:

g=9,81 м/с²; R=20 м; φ_y=0,7; tgβ=3^о:

V_ск=

3) Используя формулу 6.2, рассчитаем критическую скорость движения автобуса ЛиАЗ-5256 на повороте для случая поперечного опрокидывания, при:

В=2,05 м; tgβ=3^о; h_g=1,025 м; R=20 м; g=9,81 м/с²:

V_опр

4) Используя формулу 6.8, рассчитаем максимальный угол поперечного уклона дороги (косогора), по которой автобус ЛиАЗ-5256 может двигаться без скольжения, при:

g=9,81 м/с²; R=50 м; φ_y=0,7; V=5 м/с:

β_ск=

5) Используя формулу 6.8, рассчитаем максимальный угол поперечного уклона дороги (косогора), по которой автобус ЛиАЗ-5256 может двигаться без скольжения на прямолинейном участке дороги при φ_y=0,7:

β_ск=

6) Используя формулу 6.10, рассчитаем максимально допустимый угол косогора, по которому автобус ЛиАЗ-5256 может двигаться без опрокидывания, при:

В=2,05 м; g=9,81 м/с²; R=50 м; V=5 м/с; h_g=1,025 м:

β_опр=

7) Используя формулу 6.11, рассчитаем максимально допустимый угол косогора, по которому автобус ЛиАЗ-5256 может двигаться без опрокидывания на прямолинейном участке дороги, при:

В=2,05 м; h_g=1,025м:

β_опр=

8) Используя вышеприведенные формулы, рассчитаем аналогичные параметры критической скорости заноса и опрокидывания в зависимости от радиуса поворота дороги для значений β=3, 6, 9 градусов, и расчет угла опрокидывания и скольжения в зависимости от скорости автомобиля для значений R=50, 80, 110 м. Полученные данные занесем в таблицы 6.3 и 6.4.

Таблица 6.3 – Расчетные значения V_ск, V_опр в зависимости от радиуса R поворота автобуса ЛиАЗ-5256 и угла поперечного уклона дороги

β, град	R, м	20	40	60	80	100	120
3	Vск, м/с	11,07	15,56	19,18	22,14	24,76	27,14
	Vопр, м/с	13,29	18,8	23,02	26,58	29,72	32,56
6	Vск, м/с	10,43	14,75	18,06	20,85	23,32	25,54
	Vопр, м/с	12,6	17,83	21,83	25,21	28,19	30,88
9	Vск, м/с	9,78	13,83	16,94	19,56	21,87	23,96
	Vопр, м/с	11,94	16,88	20,68	23,88	26,7	29,24

Таблица 6.4 – Расчетные значения β_ск, β_опр в зависимости от скорости V движения автобуса ЛиАЗ-5256 и радиуса поворота R

R, м	V, м/с	5	10	15	20	25	30
50	βск, град	32,08	23,47	10,35	-4,2	-16,88	-26,42
	βопр, град	22,93	7,59	2,54	0,5	-0,49	-1,04
80	βск, град	33,17	27,73	18,99	7,99	-3,54	-13,92
	βопр, град	23,35	8,31	3,35	1,35	0,36	-0,18
110	βск, град	33,66	29,7	23,21	14,65	4,92	-4,84
	βопр, град	23,54	8,64	3,71	1,72	0,75	0,21

9) По полученным данным построим соответствующие графики зависимостей критической скорости заноса и опрокидывания в зависимости от радиуса поворота дороги для значений β=3, 6, 9 градусов: V_ск =f(R), V_опр = f(R), и угла опрокидывания и скольжения в зависимости от скорости автомобиля для значений R=50, 80, 110 м: β_опр=f(R), β_ск= f(R) (рис. 6.3 – 6.4).

Рисунок 6.3 – Графики зависимости критической скорости заноса и

опрокидывания от радиуса поворота дороги для

значений β=3, 6, 9 градусов: V_ск =f(R), V_опр = f(R)

Рисунок 6.4 – Графики зависимости угла опрокидывания и скольжения

от скорости автомобиля для значений R=50, 80, 110 м: β_опр=f(R), β_ск= f(R)