Стійкість автомобіля Означення і оцінкові показники

Стійкість, як експлуатаційна властивість, характеризує здатність автомобіля зберігати стан рівноваги та заданий напрям руху при дії зовнішніх збурень, що прагнуть порушити рівновагу чи змінити напрям руху. В екстремальних умовах недостатня стійкість може спричинити занос або перекидання автомобіля.

Оцінковими показниками стійкості є критичні параметри руху і положення, а саме:

– критичні швидкості v_крφ– за умовою поперечного ковзання іv_крп– за умовою поперечного перекидання;

– критичні кути поперечного нахилу дороги β_крφі β_крп– відповідно за умовами поперечного ковзання і поперечного перекидання;

– коефіцієнт поперечної стійкості;

– критичні швидкості за курсовою стійкістю і вихлянням причепа автопоїзда.

Поперечна стійкість

Порушення стійкості часто проявляється у боковому ковзанні автомобіля або в його перекиданні відносно поздовжньої осі. Збурюючими силами можуть бути поперечні складові сили інерції при криволінійному русі і ваги автомобіля при поперечному нахилі дороги, а також аеродинамічна сила.

Для визначення показників стійкості доцільно розглянути коловий рух автомобіля на віражі, оскільки в цьому випадку діє і поперечна складова сили інерції, і поперечна складова ваги (рис. 54).

Рис. 54. Схема руху автомобіля на віражі

На схемі використані такі позначення: О – проекція осі крену на поперечну площину; С, С' – центр маси до і після крену; G– вага автомобіля; Р_jy– відцентрова сила;R_zв,R_zз– нормальні реакції дороги на внутрішні і зовнішні колеса;R_ув,R_уз– поперечні реакції дороги на внутрішні і зовнішні колеса;h-- висота центру маси;h_кр– плече крену; λ – кут крену; В – колія автомобіля.

Поперечні сили зумовлюють крен підресореної частини автомобіля в напрямку дії більшої з сил. На схемі . В результаті крену центр маси зміщується на віддальвід нормальної площини симетрії з точки С в точку С'.

Умови, при яких настає бокове ковзання автомобіля, визначаються з рівняння рівноваги поперечних сил і реакцій дороги.

Ковзання розпочинається тоді, коли сума поперечних реакцій менша за суму поперечних сил. Це трапляється в граничних умовах, коли сума реакцій досягає значення сили зчеплення, і дальше зростання суми реакцій обмежується величиною сили зчеплення. Отже, граничною умовою для збереження стійкості є рівність поперечних реакцій і сил зчеплення.

Сумарне значення нормальних реакцій

,

тоді

і рівняння рівноваги поперечних сил набуває вигляду

Після підстановок ;та необхідних перетворень одержуємо вираз

Поділивши останнє рівняння почленно на , можна визначити критичну швидкість автомобіля, при якій починається його поперечне ковзання

З формули видно, що критична швидкість зростає при збільшенні кута поперечного нахилу дороги та при збільшенні коефіцієнта зчеплення і радіуса повороту. Якщо ж ,то напрями бокових реакційR_увіR_уззмінюється на протилежний і небезпека виникнення бокового ковзання зростає при збільшенні кута β і при зменшенні швидкості, тому що в цьому разі зменшується відцентрова сила.

Якщо рух відбувається горизонтальною дорогою, де кут поперечного нахилу , то критична швидкість.

Найменше значення кута β, при якому виникає бокове ковзання, називається критичним кутом поперечного нахилу дороги за умовою поперечного ковзання. Визначити β_крφможна, розв’язавши стосовно β наведене раніше рівняння рівноваги сил.

В нерухомого автомобіля напрям поперечних реакцій змінюється на протилежний. З врахуванням цього виходить, що в статиці критичний кут визначається з виразу

Умови, при яких настає бокове перекидання, визначаються з рівняння рівноваги моментів відносно контакту зовнішніх коліс з дорогою

Плече mзалежить від багатьох чинників – розташування центру маси в поперечній площині; колії автомобіля; сумарної кутової жорсткості підвіски; жорсткості шин; крену кузова. Якщо припустити, що в статиці центр маси розташований в площині поздовжньої симетрії і його зміщенням від крену можна знехтувати, то ,

де – середнє значення колії автомобіля.

З початком перекидання внутрішні колеса автомобіля відриваються від опорної поверхні і реакція R_zвщезає. Після підстановок ;;і здійснення перетворень рівняння рівноваги моментів набуде вигляду

З виразу, одержаного після почленного ділення останнього рівняння на , можна визначити критичні швидкість і кут поперечного нахилу дороги за умовою бокового перекидання.

На горизонтальній дорозі , і тому.

Якщо автомобіль нерухомий або рухається по прямій (в обох випадках ), то

З одержаних формул видно, що наявність віражу збільшує критичні швидкості як за умовою поперечного ковзання, так і за умовою поперечного перекидання, тому для підвищення стійкості руху дороги на поворотах роблять з поперечним нахилом.

При визначенні критичної швидкості за умовою перекидання не враховувався крен підресореної частини, а також поворот автомобіля у вертикальній площині відносно прямої, що з’єднує центри контактів зовнішніх коліс (рис. 55).

Рис. 55. Схема перебігу процесу перекидання

Автомобіль перебуває в рівновазі доти, доки перекидаючий момент не перевищує стабілізуючого моменту. Якщо внаслідок виникнення поперечного збурення рівновага втрачається, то перекидаючий момент стає більшим за стабілізуючий:. При цьому центр маси переміщується з точки С в точку С'; висота центру маси збільшується зhдоh'; плече дії стабілізуючої сили зменшується зmдоm'. Рівняння перекидаючого руху має вигляд

,

звідки ,

де – момент інерції автомобіля відносно поздовжньої осі перекидання,.

Оскільки в результаті збурення виникла додаткова різниця , то кут λ неперервно зростає навіть після припинення дії збурюючої сили. Зростання λ зумовлює дальше збільшенняhі зменшенняm, в результаті чого різницяще більше зростає. Як тільки кут повороту λ стане таким, що вектор сили вагиGперетне опорну площину поза колією автомобіля, тому стабілізуючий момент поміняє знак. Рівняння перекидання набуде вигляду

,

кут λ зростатиме ще інтенсивніше, і врешті автомобіль перекинеться.

Водій може втрутитися в перебіг цього процесу, доки стабілізуючий момент не поміняє знаку. Для цього йому слід зменшити швидкість або збільшити радіус повороту. Якщо при цьому виникне нерівність , то автомобіль опуститься на всі колеса. При умовітриватиме рух лише на зовнішніх колесах.