Безопасность транспортных средств

Составим уравнение моментов сил, действующих на автомобиль, относительно оси, проходящей через центры контактов шин наружных колес с дорогой:

RzвB Gsinβhц Gcosβ В2 0.

В момент начала опрокидывания автомобиля реакция Rzв 0, тогда, разделив левую и правую части формулы на Gcosβ, получим

или

tgβ B . 2hц

Критический угол косогора по условиям опрокидывания

βопр arctg B . 2hц

Критический угол косогора по условиям бокового скольжения (заноса) определим, спроецировав все силы на плоскость дороги:

Gsinβ Rун Rув.

По условиям сцепления шин с дорогой сумма поперечных реакций в момент начала заноса

Rун Rув Gcosβ y .

Тогда

Следовательно, критический угол косогора по условиям заноса

βз arctg y .

91

6.5. Устойчивость автомобиля с учетом крена кузова

Ранее мы считали, что автомобиль является твердым телом. В действительности он представляет собой сложную систему масс с шарнирными и упругими связями. Можно выделить две основные группы масс: подрессоренные массы (кузов), вес которых Gк воспринимается подвеской, и неподрессоренные массы (мосты и колеса), вес которых Gн воспринимается шинами.

На рис. 6.5 показано, что центр тяжести С1 подрессоренных масс не совпадает с центром тяжести С всего автомобиля. Точка С1 расположена выше точки С и обычно ближе к переднему мосту, поэтому hк > hц и bк > b.

Рис. 6.5. Ось крена кузова

Под действием поперечных сил кузов автомобиля поворачивается в поперечном направлении, при этом упругие элементы подвески деформируются. Осью крена называют прямую NN, относительно которой поворачивается кузов. Точки А1 и А2 пересечения оси крена с вертикальными плоскостями, проведенными через середины мостов автомобиля, называются центрами крена: А1 – передний, А2 – задний. Их положение зависит от конструкции подвески. При независимой подвеске центр крена расположен близко к поверхности дороги, при зависимой – он находится несколько выше центра ко-

92

леса. Поэтому у легковых автомобилей с передней независимой и задней зависимой подвесками ось крена наклонена вперед. У грузовых – ось крена примерно параллельна дороге.

Рассмотрим движение автомобиля с учетом крена кузова на повороте, схема которого представлена на рис. 6.6.

К центру тяжести кузова С1 приложены его вес Gк и поперечная сила Рку, а к центру тяжести неподрессоренных масс С2 – их вес Gн и поперечная сила Рну. Под действием силы Рку кузов поворачивает-

ся на угол ψкр и точка С1 смещается в точку C1' . Обычно ψкр ≤ 10о,

поэтому можно считать hк ≈ const. Тогда поперечное смещение центра тяжести кузова

Sкр hкрtg ψкр hкрψкр,

где hкр – плечо крена (расстояние от центра тяжести кузова до оси крена).

Моменты сил Рку и Gк уравновешиваются моментом упругих сил подвески:

93

Pкуhкр GкSкр Cу.аψкр,

где Су.а – угловая жесткость подвески (отношение момента, вызывающего поперечный крен кузова, к углу крена). До включения ограничителей подвески можно считать Су.а ≈ const.

С учетом того, что Sкр hкрψкр, получим угол крена

Определим критическую скорость автомобиля по условиям опрокидывания с учетом крена кузова.

Для этого составим уравнение моментов сил относительно середины контакта наружных колес с дорогой в момент отрыва внутренних колес от дороги:

Pкуhк Gк 0,5В hкр кр Рнуr 0,5BGн 0.

Пренебрегая малыми моментами сил Рну и Gн, получим

Pкуhк Gк 0,5В hкрψкр 0.

Поперечная составляющая центробежной силы подрессоренных масс

Pку GgкVR2 .

После подстановки значений ψкр и Рку в уравнение моментов сил получаем

94

Решив полученное уравнение относительно V, найдем критическую скорость автомобиля поопрокидыванию сучетом крена кузова

Сравнение формулы для определения критической скорости автомобиля по опрокидыванию без учета крена кузова с полученной показывает, что в последнем случае критическая скорость меньше (в среднем на 10–15 %). Для уменьшения вероятности опрокидывания следует увеличивать угловую жесткость подвески и уменьшать плечо крена. Для увеличения Су.а устанавливают стабилизаторы поперечной устойчивости, позволяющие уменьшать угол крена кузова без увеличения вертикальной жесткости подвески.

На автомобиль в процессе криволинейного движения действуют два момента: опрокидывающий момент силы Рку и восстанавливающий момент силы веса Gк. При равенстве этих моментов внутренние колеса автомобиля начинают отрываться от дороги. Если после этого опрокидывающий момент увеличится из-за возрастания скорости движения автомобиля V или уменьшения радиуса поворота R, то автомобиль начнет опрокидываться.

Однако отрыв колес от дороги не всегда ведет к опрокидыванию автомобиля. Если опрокидывающий и восстанавливающий моменты равны, то автомобиль может двигаться только на внешних колесах. Это явление можно наблюдать на автородео, когда опытный водитель, манипулируя рулевым колесом, ведет автомобиль довольно долго на внешних колесах.

6.6. Устойчивость переднего и заднего мостов

Рассматривая поперечную устойчивость автомобиля, мы предполагали, что при заносе колеса обоих мостов начинают скользить в поперечном направлении одновременно. На практике сначала начинают скользить колеса либо переднего, либо заднего моста, поэтому рассматривать необходимо не устойчивость автомобиля в целом, а одного из его мостов.

95

При качении на колесо действуют касательная Rх, поперечная Rу и нормальная Rz реакции дороги (рис. 6.7).

Rz

Rx

Rу

R

Рис. 6.7. Силы, действующие на колесо при качении

Для качения колеса без поперечного и продольного проскальзывания необходимо соблюсти условие

– для колеса, нагруженного тормозной силой, Pтор ;

Rz

96

– для ведомого колеса, нагруженного силой сопротивления каче-

нию, Рк Rz f f .

Rz Rz

Рассмотрим силы, действующие на автомобиль, при движении на повороте (рис. 6.8).

l

θ

0 L

Рис. 6.8. Силы, действующие на автомобиль на повороте:

Рц – центробежная сила, действующая на автомобиль на повороте; Ру – поперечная составляющая центробежной силы Рц; Рх – продольная составляющая центробежной силы Рц; Ry1 и Ry2 – поперечные реакции дороги на колесах переднего и заднего мостов соответственно

Для определения реакций Rу1 и Rу2 составим уравнения равновесия относительно середин переднего и заднего мостов

97

С учетом того, что

получаем значения поперечных реакций дороги, действующих на передний и задний мосты автомобиля:

Подставив полученные значения поперечных реакций дороги

R2

в формулу 2 y , определим критические скорости автомо-

Rz2

биля по заносу переднего и заднего мостов. Для переднего моста

отсюда

Аналогично для заднего моста

98

Анализ полученных выражений показывает, что критическая скорость по заносу с учетом продольных сил, действующих на колеса автомобиля, на 10–20 % меньше, чем без их учета.

Рассмотрим автомобиль, движущийся криволинейно по дуге радиуса R (рис. 6.9).

R

О1

О

Рис. 6.9. Схема заноса заднего моста

Если скорость автомобиля V превысит критическое значение Vск2 , то колеса заднего моста будут скользить в поперечном направлении с некоторой скоростью V2' . В результате сложения скоростей задний мост начнет перемещаться по направлению вектора Vз и радиус поворота R уменьшится до значения R1. Уменьшение радиуса вызовет увеличение центробежной силы, что в свою очередь приведет

99

к дальнейшему уменьшению радиуса и увеличению центробежной силы. Таким образом, автомобиль будет двигаться непрерывно по дуге уменьшающего радиуса. Такое движение автомобиля называется заносом, который чрезвычайно опасен, так как развивается очень быстро и может привести к выходу автомобиля за пределы полосы движения или к опрокидыванию.

Если создались такие условия, при которых скорость автомобиля V превысила критическое значение Vск1, начнется поперечное

скольжение переднего моста со скоростью V1' (рис. 6.10).

О1

Рис. 6.10. Схема заноса переднего моста

В этом случае передний мост перемещается по направлению вектора Vз и радиус поворота R увеличивается до R1. Увеличение ра-

диуса поворота приводит к уменьшению центробежной силы, и скорость поперечного скольжения переднего моста V1' уменьшается, в результате чего занос передних колес автоматически прекращается.

100