7.10. Колебания управляемых колес относительно шкворней
Управляемые колеса автомобиля могут поворачиваться относительно осей шкворней не только в результате поворота рулевого колеса, но и в том случае, когда водитель удерживает рулевое колесо в каком-то неизменном положении (закрепленное рулевое колесо). Повороты управляемых колес при закрепленном рулевом колесе вызываются внешними силами, создающими неуравновешенные моменты, действующие на управляемые колеса и стремящиеся повернуть их относительно осей шкворней.
Управляемые колеса связаны с рулевым колесом упругими звеньями рулевого привода и рулевого механизма. В зацеплении рабочей пары рулевого механизма, его подшипниках, а также шарнирах рулевого привода неизбежны зазоры, за счет которых возможен свободный поворот управляемых колес при неподвижном рулевом колесе (или, наоборот, свободный поворот рулевого колеса при неподвижных управляемых колесах). У современных автомобилей при неизношенном и правильно отрегулированном рулевом управлении допускается свободный поворот рулевого колеса (люфт руля) до 5°…15° в зависимости от типа автомобиля. Такому люфту рулевого колеса соответствует свободный поворот управляемых колес около 20°… 40°. Дополнительный поворот управляемых колес может происходить за счет деформаций упругих звеньев рулевого механизма и рулевого привода.
Самопроизвольные повороты управляемых колес, не вызываемые воздействием водителя на рулевое колесо, приводят к отклонениям автомобиля от параметров движения, задаваемых водителем, т.е. нарушают управляемость автомобиля. В большинстве случаев повороты управляемых колес относительно шкворней носят колебательный характер, частота и амплитуда которого зависят от физической сущности сил, действующих на управляемые колеса.
Основными причинами возникновения сил, вызывающих колебания управляемых колес относительно шкворней, являются: неуравновешенность (дисбаланс) управляемых колес, особенности кинематики подвесок передних колес и рулевого управления, гироскопические моменты, возникающие в результате как наклонов колес относительно вертикальной плоскости, так и поворотов колес относительно шкворней (автоколебания управляемых колес), взаимодействие колес с неровностями дороги.
Колебания, вызываемые неуравновешенностью управляемых колес
Если колесо уравновешено, то элементарные центробежные силы, действующие в каждой точке колеса, взаимно уравновешиваются, т.е. сумма их равна нулю (статическая балансировка) и сумма моментов этих сил также равна нулю (динамическая балансировка). Если центр тяжести колеса не совпадает с его осью вращения, то сумма элементарных центробежных сил не равна нулю, т.е. нарушается статическая балансировка (рис. 51а), а если центр тяжести колеса совпадает с осью вращения, но масса колеса расположена несимметрично относительно плоскости симметрии колеса, перпендикулярной оси его вращения, то не равна нулю сумма моментов элементарных центробежных сил, т.е. нарушается динамическая балансировка
(рис. 51б).
Неуравновешенность колеса удобно оценивать некоторой условной дополнительной массой, сосредоточенной в одной точке полностью уравновешенного колеса (рис. 51б). Центробежная сила Рц, создаваемая этой дополнительной массой в результате ее вращения вместе с колесом, направлена по радиусу колеса (рис. 51в) и непрерывно изменяет свое положение относительно оси шкворня. Составляющая Px силы Рц, перпендикулярная оси шкворня, создает момент Рх Iц (рис. 51г), стремящийся повернуть колеса относительно шкворня. Величина и направление силы Рх, а, следовательно, и момента Iц зависят от положения условной массы, вращающейся вместе с колесом.Согласно рис. 51в Рх – Рц Sinβ = PцSin(ωкt). Следовательно, момент Мнц, стремящийся повернуть каждое управляемое колесо относительно шкворня, равен
;
(193)
где Mну – неуравновешенная масса;
rm – плечо приложения массы Mну.
Обычно
допустимый дисбаланс задается моментом
Мдб,
равным произведению силы тяжести Pну
неуравновешенной массы на плечо rm
ее приложения. Принимая во внимание,
что
и
,
получим
;
а)
б)
в)
г)
Рис. 51.
Как видно из равенства (193), в результате неуравновешенности колеса при его вращении создается переменный по величине и знаку синусоидальный момент, стремящийся вызвать колебания каждого из колес относительно шкворней. Частота этого момента равна частоте вращения колеса, а амплитуда пропорциональна моменту дисбаланса и квадрату скорости движения автомобиля.Поскольку оба управляемых колеса связаны между собой рулевой трапецией, то моменты Мну на каждом из колес алгебраически складываются. Наиболее неблагоприятным является случай, когда неуравновешенные массы колес смещены по фазе на угол 180° (рис. 51г). Для уменьшения колебаний управляемые колес относительно шкворней, вызываемых их неуравновешенностью, на автомобильных заводах и в эксплуатации колеса легковых автомобилей балансируются. Для балансировки предусмотрено крепление на ободе специальных балансировочных грузиков.