Колебания управляемых колес

В процессе движения управляемые колеса автомобиля могут совершать колебания вокруг шкворней (осей поворота) в гори­зонтальной плоскости. Такие колебания вызывают износ шин и рулевого привода, повышают сопротивление движению и увели­чивают расход топлива. Они могут привести к потере управляемо­сти автомобиля и снижению безопасности движения. Причина­ми, вызывающими эти колебания, являются гироскопическая связь управляемых колес, их неуравновешенность (дисбаланс) и двои-

Рис. 8.7. Схема возникновения самовозбуждаю­щихся колебаний (автоколебаний) управляемых колес при зависимой подвеске

ная связь колес с несущей системой (рама, кузов) через рулевой привод и подвеску.

При наездах одного из колес на дорожные неровности при за­висимой их подвеске (рис. 8.7) происходит перекос переднего моста. Управляемые колеса наклоняются, и изменяется положение их оси вращения. Это приводит к возникновению гироскопического момента М_Гх,который действует в горизонтальной плоскости и поворачивает управляемые колеса вокруг шкворней.

Поворот колес вокруг шкворней вызывает возникновение дру­гого гироскопического момента М_Гz,который действует в верти­кальной плоскости и стремится увеличить перекос моста и на­клон колес.

Таким образом, перекос моста обусловливает колебания уп­равляемых колес вокруг шкворней, а они, в свою очередь, увели­чивают перекос моста, т.е. обе колебательные системы связаны между собой и влияют друг на друга.

Возникающие в этом случае колебания управляемых колес во­круг шкворней непрерывно повторяются (самовозбуждаются), яв­ляются устойчивыми и наиболее опасными.

При вращении неуравновешенного колеса (рис. 8.8) возникает центробежная сила Р_ц. Ее вертикальная составляющая P_zстремит­ся переместить колесо в вертикальном направлении и наклонить его, что вызывает появление гироскопического момента М_х.Го­ризонтальная составляющая Р_хцентробежной силы стремится повернуть колесо вокруг шкворня. Колебания управляемых колес становятся особенно значительными, когда не уравновешены оба колеса и неуравновешенные части располагаются с разных сто-

Рис. 8.8. Дисбаланс управляемых колес:

а — силы, действующие на неуравновешенные колеса; б — схема возникнове­ния поворачивающего момента

Рис. 8.9. Связь управляемых колес с несущей системой автомобиля:

А — шарнир; О, О_{ — центры колебаний; аа, бб — траектории перемещения шарнира

рон осей вращения, так как в этом случае поворачивающие мо­менты М_х складываются. Колебания также возрастают при увели­чении скорости движения автомобиля в связи с тем, что значе­ния составляющих P_z и Р_х центробежной силы Р_цво многом зави­сят от скорости.

Управляемые колеса автомобиля имеют двойную связь с его несущей системой, которая осуществляется через подвеску и ру­левой привод.

При вертикальных перемещениях колеса (рис. 8.9) шарнир А,соединяющий продольную рулевую тягу с рычагом поворотного кулака, должен перемещаться по дуге бб с центром в точке О₁, что обусловлено кинематикой рулевого привода.

Кроме того, шарнир А также должен перемещаться по дуге аа с центром в точке О,что связано с особенностями кинематики подвески. Однако дуги аа и бб расходятся, поэтому вертикальные перемещения управляемых колес сопровождаются их поворотом вокруг шкворней.

Колебания управляемых колес вокруг шкворней совершаются с высокой и низкой частотой.

Колебания высокой частоты, превышающей 10 Гц, с амплиту­дой не более 1,5... 2° происходят в пределах упругости шин и руле­вого привода. Эти колебания не передаются водителю и не приво­дят к нарушению управляемости автомобиля, так как поглощают­ся в рулевом управлении. Однако высокочастотные колебания вы­зывают дополнительный износ шин и деталей рулевого привода, повышают сопротивление движению автомобиля и увеличивают рас­ход топлива.

Колебания низкой частоты (менее 1 Гц) с амплитудой 2...3⁰ нарушают управляемость автомобиля и безопасность движения. Для их устранения необходимо снизить скорость автомобиля.

Полностью устранить колебания управляемых колес вокруг шкворней невозможно — их можно только уменьшить. Это обес­печивается применением независимой подвески управляемых ко­лес, что ослабляет гироскопическую связь между ними, примене­нием балансировки колес, благодаря чему устраняется их неурав­новешенность, уменьшением влияния двойной связи колес с не­сущей системой, что достигается принятием различных конст­руктивных мер.

8.5. Стабилизация управляемых колес

При движении силы, действующие на автомобиль, стремятся отклонить управляемые колеса от положения, соответствующего прямолинейному движению. Чтобы не допустить поворота управ­ляемых колес под действием возмущающих сил (толчки от неров­ностей дороги, порывы ветра и др.), управляемые колеса должны обладать стабилизацией.

Стабилизацией управляемых колес называется их свойство со­хранять положение, отвечающее прямолинейному движению, и автоматически возвращаться в это положение.

Чем выше стабилизация управляемых колес, тем легче управ­лять автомобилем, выше безопасность движения, меньше износ шин и рулевого управления.

На автомобилях стабилизация управляемых колес обеспечива­ется наклоном шкворня или оси поворота колес в поперечной и продольной плоскостях и упругими свойствами пневматической шины, которые создают соответственно весовой, скоростной и упругий стабилизирующие моменты.

Весовой стабилизирующий момент возникает вследствие попе­речного наклона шкворня или оси поворота управляемого колеса (при бесшкворневой подвеске). Поперечный наклон оси поворота (рис. 8.10), характеризуемый углом β_ш, при повороте колеса вы­зывает подъем передней части автомобиля на некоторую высоту h'. При этом масса передней части стремится возвратить колесо в положение прямолинейного движения. Создаваемый в данном случае стабилизирующий момент и является весовым.

Хотя весовой стабилизирующий момент меньше, чем стабили­зирующий момент шины, он не зависит ни от скорости движе­ния, ни от сцепления колеса с дорогой. У автомобилей угол попе­речного наклона шкворня (оси поворота) управляемого колеса β_ш = 5... 10°. При увеличении угла β_ш повышается стабилизация управляемых колес, но затрудняется работа водителя.

Весовой стабилизирующий момент приближенно можно рас­считать по следующей формуле:

М_св= G_кl_цsin β_ш sinθ,

где G_к— нагрузка на колесо; l_ц — длина поворотной цапфы; θ — угол поворота колеса.

Рис. 8.10. Поперечный наклон оси поворота управ­ляемого колеса

Скоростной стабилизирующий момент создается в результате продольного на­клона шкворня. Продольный наклон оси поворота (рис. 8.11), определяемый углом γ_ш, создает плечо а действия реакций до­роги, возникающих при повороте колеса между шиной и дорогой в месте их каса­ния. Эти реакции помогают возврату ко­леса в положение, соответствующее прямолинейному движению. Создаваемый в этом случае стабилизирующий момент и является скоростным.

Обычно боковые реакции дороги на колесах возникают вследствие действия на автомобиль центробежной силы, которая пропорциональна квадрату скорости движения на повороте. По­этому скоростной стабилизирующий момент изменяется пропор­ционально квадрату скорости движения.

У автомобилей угол продольного наклона оси поворота управ­ляемых колес γ_ш = 0...3,5°. При увеличении угла γ_ш повышается стабилизация управляемых колес, но усложняется работа води­теля.

Скоростной стабилизирующий момент

М_сс= R_ya = R_уr_кsinγ_ш ,

где а — плечо действия реакции дороги R_y; r_к— радиус колеса; γ_ш — угол продольного наклона шкворня.

Упругий стабилизирующий момент шины создается при поворо­те управляемого колеса вследствие смещения результирующей боковых сил, действующих в месте контакта шины с дорогой, относительно центра контактной площадки (рис. 8.12).

Упругий стабилизирующий момент, создаваемый шиной:

М_су= Р_бb,

где Р_б— результирующая боковых сил; b — плечо действия силы Р_б.

Стабилизирующий момент шины до­стигает значительной величины у легко­вых автомобилей, которые имеют высо­коэластичные шины и движутся с боль­шой скоростью. Он может составлять 200... 250 Н·м при углах увода колес 4... 5°. Поэтому при очень эластичных шинах угол продольного наклона шкворня де­лают равным нулю, чтобы не усложнять управление автомобилем. Однако при не­большой скорости движения стабилизи-

рующий момент шины не обеспечивает надежной стабилизации управляемых колес. Кроме того, упругий стабилизирующий мо­мент шины резко уменьшается на дорогах с небольшим коэффи­циентом сцепления (скользких, обледенелых).

Стабилизация управляемых колес неразрывно связана с уста­новкой управляемых колес автомобиля.