Устойчивость

Для управления курсовым и боковым движениями автомобиля водитель, поворачивая управляемые колеса, создает управляющие силы. Параметры этих сил регулируются водителем таким образом, чтобы получить желаемые изменения курсового угла и траектории движения. Однако, кроме управляющих сил, на автомобиль действуют различного рода случайные силы, вызываемые различными причинами: взаимодействием колес с неровностями дороги, аэродинамическими силами, наклоном дороги и др. Эти силы, а также их кинематические последствия называют возмущениями. Движение под действием заданных сил называют невозмущенным. Влияние возмущений на характер движения может быть различным в зависимости как от параметров невозмущенного движения, так и от особенностей движущейся системы, в данном случае конструктивных особенностей автомобиля. При одних параметрах невозмущенного движения после временного отклонения, вызванного возмущением, параметры возвращаются к исходным – асимптотически устойчивое движение. При других параметрах отклонение, вызванное возмущением, с течением времени увеличивается даже после прекращения действия возмущения; параметры движения не возвращаются к исходным – неустойчивое движение. Иногда после окончания действия возмущения вызванное им отклонение не разрастается, но параметры движения не возвращаются к исходным. Если отклонение не превышает заданной в конкретных условиях нормы, то движение условно называют устойчивым (неасимптотически устойчивым). Движение может быть одновременно устойчивым по одним параметрам и неустойчивым по другим (например, устойчивым по угловой скорости поворота и неустойчивым по траектории). При изучении свойств автомобиля рассматривают условия устойчивости движения по боковому смещению, угловой скорости поворота, опрокидыванию в поперечной и продольной плоскостях.

Устойчивость – совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения автотранспортного средства или его звеньев.

Оценочными показателями устойчивости являются критические параметры движения и положения. Общепринятая система оценочных показателей устойчивости отсутствует. В дальнейшем при рассмотрении физических процессов, формирующих это свойство, будем использовать следующие основные оценочные показатели:

• критические скорости v_крφ по боковому скольжению и v_кр.оп по боковому опрокидыванию;

• критические углы косогора β_крφ по боковому скольжению и β_кр.оп по боковому опрокидыванию;

• коэффициент поперечной устойчивости η_пу=В/2h_g;

• критические скорости v_крω по курсовой устойчивости.

Часто нарушение устойчивости проявляется в боковом скольжении колес или опрокидывании автомобиля в плоскости, перпендикулярной продольной оси. Возмущающими силами могут быть: составляющая силы инерции, поперечная составляющая силы тяжести G_asinβ, возникающая в результате поперечного наклона дороги на угол β, аэродинамическая сила F_В.

Условия потери устойчивости в случае, когда невозмущенное движение является установившимся круговым. Для нахождения критических параметров устойчивости в этом случае удобно воспользоваться методом Даламбера, то есть рассматривать условия равновесия автомобиля с учетом силы инерции F_и, приложенной в центре масс. Поскольку поперечная составляющая силы тяжести приложена в центре масс и так же как и F_и пропорциональна массе, то удобно начинать со случая, когда одновременно действуют обе поперечные силы, - движение на закруглении дороги с поперечным уклоном (вираж), который делается таким, чтобы сила G_asinβ была направлена в сторону, противоположную F_и.

Д орогу в этом случае можно рассматривать как часть внутренней поверхности конуса, ось ОО’ которого вертикальна. Под действием поперечных сил происходит крен кузова в направлении большей из них (F_и>Gasinβ). В результате крена центр масс смещается от плоскости, перпендикулярной дороге и проходящей через продольную ось, на величину h_крψ_кр. Условия, при которых возникает боковое скольжение колес, можно найти, воспользовавшись уравнением равновесия поперечных сил и реакций дороги (61), где - сумма проекций на поперечную ось реакций, действующих на колеса. Из схемы поперечных и боковых сил следует, что ΣR_y=R_y1Hcosθ_H + R_y1Bcosθ_B + R_y2 + R_X1Hsinθ_H + R_X1Bsinθ_B. При боковом скольжении колес R_y1B= R_Z1Bφ_y1B; R_y1Н= R_Z1Нφ_y1Н; R_y2= R_Z2φ_y2. Если углы θ и реакции R_Х невелики, а также φ_y1Н= φ_y1В= φ_y2= φ_y1, то приближенно . Принимая во внимание, что F_И=m_av²/R, пользуясь равенством (61), найдем критическую по боковому скольжению скорость v_КРφ (62). Если движение происходит на горизонтальной дороге , то β=0 и критическая скорость по боковому скольжению (63). Наименьшее значение угла β, соответствующего возникновению бокового скольжения при v=0, называют критическим углом косогора по боковому скольжению.

Условия устойчивости, при которых происходит боковое опрокидывание – достижение равенства 0 реакций внутренних колес обоих мостов. Для его выполнения достаточно равенства опрокидывающего момента поперечных сил на плече h_g и восстанавливающего момента силы тяжести на плече m, равном расстоянию от прямой, соединяющей центры контактов наружных колес переднего и заднего мостов, до проекции на дорогу центра масс. Плечо m зависит от ряда факторов: расположения центра масс в поперечной и продольной плоскостях, колеи передних и задних колес, радиальных жесткостей шин, определяющих боковой крен за счет их деформаций под действием опрокидывающего момента, суммарной угловой жесткости подвески и плеча крена, определяющих смещение центра подрессоренной массы.