Боковые силы, действующие на автомобиль

Управление автомобилем является главной производственной функцией водителя. Основное назначение автотранспортных средств - перемещение грузов и пассажиров в пространстве, поэтому под управляемостью следует понимать целенаправленную организацию процесса движения. При анализе факторов, влияющих на попереч­ную устойчивость автомобиля, необходимо знать величину попе­речной силы, вызывающей занос или опрокидывание автомобиля. В случае движения автомобиля на повороте такой силой является центробежная сила инерции. Для ее определения, рассмотрим схему (рис. 9).

Рисунок 9 - Силы, действующие на автомобиль при повороте

 R_xi, R_x2, R_yi, R_y2 — продольные и поперечные реакции дороги на колеса переднего и заднего мостов; Р_и — центробежная сила; Р_у — поперечная составляющая центробежной силы; ρ_ц и ρ₃ — радиусы поворота центра масс и задней оси; θ — угол поворота управ­ляемой оси (приблизительно равен полусумме углов поворота управляемых ко­лес); М_и — момент инерции автомобиля; γ — угол между радиусом ρ_ц поворота центра тяжести и продолжением оси заднего моста

Для упрощения расчетов примем следующие допущения: автомобиль является плоской фигурой; движется по гори­зонтальной дороге; шины в поперечном направлении не дефор­мируются

На участке дороги 1-2 автомобиль движется прямолинейно, и его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2-3 происходит поворот управляемых колес, и автомобиль движется по кривой переменного радиуса, т. е. по первой переходной кривой. На участке 3-4 по­ложение управляемых колес, повернутых на определенный угол θ, остается неизменным, а радиус R траектории движения сред­ней точки задней оси — постоянным. На участке 4-5, т. е. на второй переходной кривой, водитель поворачивает управляемые колеса в обратную сторону, вследствие чего радиус R постепенно увеличивается. На участке 5—6 автомобиль снова движется пря­молинейно.

При равномерном движении по дуге постоянного радиуса центробежная сила (Р_ц) определяется:

                                                    (34)

где m – масса автомобиля;

ω - угловая скорость автомобиля при повороте;

ρ — расстояние от центра поворота до центра тяжести автомо­биля.

Вместе с тем

; ;                               (35)

где V – линейнаяскорость автомобиля.

Потеря устойчивости автомобилем особенно опасна при боль­шой скорости, когда движение его близко к прямолинейному. Угол θ при этом сравнительно невелик и можно считать, что tg θ ≈ θ рад.

Таким образом, центробежная сила  (Р_ц), действующая на автомо­биль при его равномерном движении, определяется:

                                          (36)

Поперечная составляющая центробежной силы (Р_у1) равна:

                                            (37)

При равномерном движении (переходные кривые) на автомо­биль действует также сила, вызванная изменением кривизны траек­тории. Поперечная составляющая (Р_уII) этой силы пропорциональна скорости автомобиля и угловой скорости (ω_ук) поворота управляемых колес. Величина этой угловой скорости зависит от скорости движе­ния: чем больше скорость, тем быстрее приходится поворачивать колеса, чтобы вписаться в поворот:

                                                      (38)

В случае неравномерного движения на автомобиль действует еще и сила (Р_уIII):

                                                       (39)

где j - ускорение движения автомобиля.

Таким образом, поперечная инерционная сила (Р_у), вызывающая за­нос и опрокидывание автомобиля при движении на повороте, пред­ставляется как:

                                                  (40)

Сила Р_у11 действует только в процессе поворота рулевого колеса. При входе автомобиля в поворот сила P_yII положительна и вместе с силой P_yI она увеличивает опасность заноса и опрокидывания авто­мобиля.

При выходе автомобиля из поворота скорость ω_ук отрицательна и сила Р_уII частично уравновешивает силу Р_уI и автомобиль может двигаться с большей скоростью без потери устойчивости.

Сила Р_уШ увеличивается с увеличением угла θ и ускорения j ав­томобиля. Поэтому во время вхождения автомобиля в поворот нарушение его устойчивости более вероятно при разгоне, чем при движении накатом, когда ускорение j и сила Р_уШ отрицательны.

В результате поворота автомобиля вокруг центра тяжести возникает инерционный момент Ми, который пропорционален угловому ускорению и моменту инерции автомобиля.

Поперечная инерционная сила P_у уравновешивается попереч­ными реакциями дороги R_yl и R_vJ на колеса автомобиля. Инерцион­ный момент М_п влияет на перераспределение этих реакций, но так как это влияние на устойчивость автомобиля сравнительно невели­ко, то его можно не учитывать.

В курсовом проекте следует определить и построить графические зависимости:

- поперечная составляющая центробежной силы Р_у1;

- поперечная составляющая силы, вызванной изменением кривизны траектории Р_у2;

- сила Р_у3, вызванная ускоренным движением при прохождении поворота.

Рисунок 10 - Графики зависимости поперечной составляющей центробежной силы Р_у1 от среднего угла поворота управляемых колес при различных скоростях движения автомобиля

Величина составляющей центробежной силы, вызванной изменением кривизны траектории Р_у2, определяется скоростью поворота управляемых колес и скоростью движения автомобиля. В реальных условиях эксплуатации угловая скорость поворота управляемых колес грузовых автомобилей находится в пределах 0,01 – 0,1 рад/сек. Исходя из этого, в соответствии с формулой (38) определить зависимости Р_у2 и скорости поворота управляемых колес автомобиля при различных скоростях движения автомобиля.

Рисунок 11 - Графики зависимости составляющей силы Р_у2, вызванной изменением кривизны траектории при различных скоростях движения

Сила, вызванная изменением скорости движения автомобиля на повороте Р_у3, определяется ускорением и углом поворота управляемых колес. Ускорение для грузового автомобиля, составляет от 0,05 до 0,5 м/с². В соответствии с выражением (39) определены зависимости Р_у3 и скорости поворота управляемых колес автомобиля при различных углах поворота колес.

Рисунок 12 - Графики зависимости силы Р_у3, вызванной изменением скорости движения при различных углах поворота управляемых колес автомобиля

Плавность хода

На плавность хода и некоторые другие эксплуатационные свойства автомобиля большое влияние оказывают колебания колес и жестко связанных элементов (рис. 13)

Рисунок 13 – Колебательная система автомобиля

К подрессоренным массам относят:

m_в – масса водителя и пассажиров в кабине;

m_тпд – масса кузова тягача (включает массу полезной нагрузки) и рамы с укрепленным на ней двигателем, агрегатов трансмиссии и управления;

m_ппд – масса рамы полуприцепа с укрепленными на ней элементами (включает массу полезной нагрузки, расположенной на грузовой платформе полуприцепа).

К неподрессоренным массам относятся массы переднего и заднего мостов тягача (m_т1нп и m_т2нп) и моста полуприцепа m_пнп.

Неподрессоренные массы автомобиля:

m_нnq=m_зм+m_пм+n·m_к,                                   (41)

где m_зм – масса заднего моста, кг;

m_пм – масса переднего моста, кг;

n – количество колес;

m_к – масса колеса в сборе с шиной, кг.

Подрессоренные массы автомобиля:

m_nq=m_а – m_пд                                         (42)

Обычно у легковых автомобилей в любом весовом состоянии для задней и передней подвесок m_нnq/ m_nq> 4; для грузовых автомобилей это соотношение выполняется для задней подвески, без нагрузки – m_нnq/ m_nq< 4.

Как подрессоренные, так и неподрессоренные массы совершают сложные двухчастотные колебания. Двухосный автомобиль имеет четыре собственные частоты – две низкие (Ω₀₁ и Ω₀₂) и две высокие (Ω_к1 и Ω_к2).