IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Мы видим слово «управляемость» почти в каждом автомобильном обзоре. Наверняка вам доводилось слышать выражения вроде "острый руль", "ватный руль", "рулится, как утюг" и так далее. Всё это субъективно-эмоциональные характеристики управляемости автомобиля. Под управляемостью мы понимаем то, насколько чётко машина реагирует на движения руля и с какой скоростью можно проходить повороты, не опасаясь срыва колёс.

 

Во многом управляемость зависит от конструкции автомобиля, от конструкции рулевого управления и подвески. Ясно, что машина, у которой, чтобы повернуть колёса от крайнего до крайнего положения, надо сделать четыре оборота руля, будет реагировать на движения рулевым колесом резче, чем та, у которой нужно крутануть шесть оборотов. Но управляемость, заложенная в конструкцию автомобиля, очень сильно зависит от состояния подвески и рулевого управления. Сначала чуток увеличился люфт руля, потом чуть ушли углы установки колёс, "подсели" амортизаторы - и вот руль стал тяжелее, и машина, вместо того, чтобы ехать прямо, едет, куда захочет, а в поворотах валится, визжа резиной. А если ещё и диски поставить с неподходящим вылетом, да и задок задрать (ну или опустить), то ещё большего эффекта можно добиться.

Одной из характеристик управляемости является поворачиваемость. В зависимости от изменения радиуса поворота под воздействием боковых сил (центробежной силы на повороте, силы ветра и т.д.) поворачиваемость может быть недостаточной, нейтральной и избыточной.

 

Для некоторых водителей идеальной поворачиваемостью была бы нейтральная. Это значит, что когда автомобиль куда-то поворачивает, ни его передняя часть, ни задняя не выезжают за пределы намеченной водителем дуги поворота. Если вы заезжаете в поворот слишком быстро, при нейтральной поворачиваемости поедет боком весь автомобиль, а не какая-то одна его половина.

Многие автоспортсмены, однако, предпочли бы избыточную поворачиваемость. Она имеет место тогда, когда заднюю часть машины в повороте заносит вбок. В этом случае автомобиль заходит в поворот, если можно так сказать, резче. Заднеприводные машины склонны к избыточной поворачиваемости при более сильном, чем обычно, нажатии на педаль газа, когда задняя ось теряет сцепление с дорогой. Будьте осторожны - это может произойти очень быстро. Передозировка газа - не обязательное условие, занос может случиться и на скользкой дороге, где есть все возможности для потери сцепления колес с дорожным покрытием. На заднеприводных машинах с высокой мощностью двигателя избыточная поворачиваемость в комбинации со скользкой дорогой может привести к самым неприятным последствиям.

Многие машины с передним приводом, ездящие по нашим дорогам, изначально созданы с недостаточной поворачиваемостью. Это означает, что при вхождении в поворот передняя часть машины старается «уехать наружу» из траектории ее движения, а задняя остается на месте. Ощущается это так, как будто машина «не хочет» поворачивать. Естественной реакцией водителя при появлении недостаточной поворачиваемости становится ослабление газа, что заставляет автомобиль снизить скорость. При этом вес переносится на переднюю ось, колеса на ней таким образом получают более сильное сцепление с дорогой и машина лучше входит в поворот.

Однако переднеприводные машины тоже могут поворачиваться избыточно. Наденьте на передние колеса зимнюю резину, а на задние - всесезонку, и ваш автомобиль - отличный кандидат на занос каждый раз, когда вы будете тормозить, и передняя ось будет «цепляться» за дорогу, а задняя - наоборот, скользить. Использование свойств резины в тюнинге управляемости - старая, но до сих пор верная техника.

Геометрия подвески, жесткость пружин, амортизаторы, стабилизаторы, покрышки и даже давление воздуха в них - все это играет важную роль в том, как машина рулится. Так, более широкая резина дает большее сцепление с дорожным покрытием (что логично). Посмотрите на фотографии высокомощных машин типа Viper, Corvette или Porsche 911. Все они «носят» более широкую резину на задней оси, что помогает им не срываться в занос каждый раз, когда в повороте водитель немного передавит газ. Тем не менее, как и в случае с любым заднеприводным автомобилем, при избытке мощности заднюю ось все равно будет сносить вбок. К этому лучше быть всегда готовым, и, когда нужно, откорректировать траекторию движения, снизив давление ноги на педаль газа и повернув руль в сторону, противоположную направлению заноса.

Скорость безопасного прохождения поворотов зависит от конструкции подвески, а также от её состояния. Если подвеска не позволяет колёсам "гулять", жёсткие стабилизаторы поперечной устойчивости не дают кузову валиться в поворотах, если пружины и амортизаторы хорошо прижимают колёса к дороге - то можно смело "вваливать" в повороты на хорошей скорости. Если же наоборот - то и улететь недолго...

Мягкость подвески обеспечивает постоянный контакт между шиной и дорогой, другими словами, колеса не подскакивают на препятствиях, а все время сохраняют соприкосновение с полотном. Это уменьшает износ резины, дает более интенсивный разгон и лучшее торможение. Однако все хорошо в определенных пределах. Слишком мягкая подвеска приводит к излишнему крену в поворотах, что ведет к смещению центра тяжести и ухудшению устойчивости. К тому же мягкая подвеска замедляет реакцию автомобиля на действие рулевым колесом.

Стабилизаторы повышают устойчивость в поворотах. Они связывают между собой правые и левые подвески и помогают правильно распределять вес. Чем жестче стабилизатор, тем лучше автомобиль держит дорогу. Отрицательная сторона жесткого стабилизатора - слишком нервное поведение автомобиля в поворотах.

Автомобили, вес которых в большей части приходится на перед, склонны к недостаточной поворачиваемости. Было бы непрактично ставить на передние колеса шины размера большего, чем на задние, так что инженеры настраивают рулевые характеристики при помощи таких доступных им параметров, как степень жесткости пружин, размеры стабилизаторов поперечной устойчивости и жесткость втулок подвески. Все это делается для того, чтобы уберечь машину от «вылетания» из поворотов или, наоборот, слишком сильного их «срезания». Расположение шин строго вертикально дает максимальную площадь пятна контакта с дорогой, но если слишком сильно затянуть пружины или стабилизаторы, шины просто не смогут двигаться по дороге с неровностями. Это вызовет эффект, совершенно противоположный тому, которого вы добиваетесь. Большинство водителей предпочтут в этом случае оставить заводские настройки подвески без изменений. Прежде чем вы сможете достичь нужной вам управляемости, возможно, придется затратить много времени и сил на перебор вариантов настроек подвески методом проб и ошибок. Не переживайте - если уж профессиональным гонщикам это знание дается нелегко, что уж говорить о простых смертных?

Тем не менее, что-то изменить в управляемости своей машины можно и менее трудозатратными способами. Газонаполненные амортизаторы и стойки лучше контролируют колебания колеса при контакте с дорогой. Их установка на машину позволит улучшить и комфортность езды, и пресловутую управляемость. При этом лучше не экономить - вложенные деньги вполне окупятся.

Также очень важно давление в шинах. Изменение величиной даже в половину psi дает на спортивной машине разительные перемены. На обычной уличной машине можно ощутить разницу при изменении давления на 1 или 2 psi. Повышение давления делает колесо более стабильным, так что улучшается управляемость, но страдает комфорт. Снижение давления вызывает более сильные смещения автомобиля в поперечном направлении (говоря проще, «качку»). Можно поэкспериментировать с разницей в давлении на передней и задней оси, но не стоит выходить за минимальные рекомендуемые значения. Самые сильные изменения в управляемости можно ощутить, меняя шины. Низкопрофильная резина на дисках большего радиуса меньше "подламывается", что позволяет увереннее проходить повороты и делает руль "острее". Многие серийные автомобили продаются в спортивных комплектациях. Часто единственное их отличие от более простых пакетов опций - широкие шины с низким профилем.

 

Управляемость автомобиля и факторы, на неё влияющие о которых желательно знать.

Кинематика поворота автомобиля на абсолютно жестких колесах

Рулевое управление автомобиля должно обеспечивать такую кинематику поворота, при которой продолжнения осей всех колес пересекаются в одной точке, называемой центром поворота:

 

Силовой увод шины

В обычном понимании шина едет прямо, однако, т.к. она не твердая а эластичная, то деформируется под действием сил. Форма беговой дорожки изкривляется и в реальности шина начинает ехать не туда куда направляется, а отклоняется от этого направления на некий угол δ.

Боковые силы, которые действуют на шину:

• 1. Центробежная сила в повороте действует на автомобиль и он в свою очередь на шину. Чтобы вызвать силовой увод, достаточно едва заметно вильнуть рулем.
• 2. Тила тяжести (тоже действует на машину) а при наличии уклона дороги в бок вызывает силовой увод шины. Любая дорога должна иметь уклон в сторону обочины. Это закладывается в проект для того чтобы с её поверхности стекала вода. Так же плохие дороги имеют множество неровностей втч таких которые вызывают силовой увод шины.

На сопротивление силовому уводу шины влияют следующие факторы:

• 1. Конструкция шины (например радиальная жестче диагональной, но и шины одного типа разной конструкции могут иметь разное сопротивление силовому уводу).
• 2. Давление в шине. Чем больше давление, тем меньше силовой увод.
• 3. Наличие тяги на колесе. Если ось ведущая, то сопротивление силовому уводу меньше. Чем больше тяга на оси, тем слабее шина может сопротивляться силовому уводу.
• 4. Соотношение ширины и высоты профиля. Чем меньше в процентном отношении высота профиля, тем больше сопротивление силовому уводу. По этому если стоит вопрос дилема поставить 15"диски или 16"диски при одинаковом внешнем диаметре колеса, лучше выбрать 16-е даже учитывая что они несколько дороже.
• 5. Соотношение ширины профиля шины и ширины диска. Чем шире диск, тем лучше шина сопротивляется силовому уводу. Рационально ставить диски, которые на 20%уже профиля колеса. Например если шина имеет ширину профиля 12.5 дюймов или 315мм, то для неё стоит использовать диски шириной 10J.Среди джиперов принято ставить более узкие диски чтобы уменьшить вероятность разбортировки при стравливании давления для движения по слабым грунтам. Да, всё правильно но принимая такое решение стоит осознавать и отрицательные стороны (чтобы не гадать потом почему машина «рыскает» по дороге на скорости выше 90).
• 6. Масса, приходящаяся на колесо. Чем больше масса, тем хуже шина сопротивляется силовому уводу.
• 7. Наклон колеса по отношению к плоскости дороги. Сопротивление силовому уводу хуже если колесо наклонено в сторону боковой силы и наоборот.
• 8. Угловая жесткость подвески (та самая которая препятствует крену). Чем она больше, тем больше силовой увод шин.

Кинематический увод колеса

Крен кузова может вызвать наклон колеса по отношению к плоскости дороги.

• 1. Зависимая подвеска почти не вызывает при крене кузова дополнительный наклон помимо заранее установленной величины развала колес (кроме очень незначительного наклона в результате деформации шин от переноса масс).
• 2. Независимая подвеска на двойных поперечных рычагах (ВАЗ-классика, Нива, Митсубуиси Паджеро, Тойота Сурф/Хайлюкс/4Раннер итд) колесо кренится в сторону крена кузова и вызывает дополнительный увод колеса, который на передней поси полезен (но об этом позже).
• 3. Независимая подвеска на одном поперечном рычаге (НАМИ-1, на современных автомобилях такая не применяется, лишь её разновидность «на косых рычагах» например на БМВ задняя подвеска) вызывает наклон колеса в сторону, противоположную крену кузова. Такой наклон уменьшает увод, это благоприятно для задней оси.
• 4. Макферсон. Как правило вызывает меньший увод чем 2). Так же применима для передней оси автомобиля.

Кинематический увод оси.

Т.к. шарниры рычагов подвески при крене в поворотах описываеют траекторию окружности относительно кузова, то и положение оси относительно кузова меняется. Ось (зависимой подвески) может разворачиваться относительно автомобиля (на большинстве автомобилей так и происходит) и тем самым подруливать в ту или иную сторону. (этот эффект обычно используется для улучшения управляемости).

Поворот автомобиля на эластичных колесах

Недостаточная поворачиваемость

Если увод передней оси больше увода задней оси, то радиус поворота больше чем был бы на жестких колесах. Такие автомобили называются автомобилями с недостаточной поворачиваемостью. При воздействии боковой силы появляется центробежная сила, которая гасит возмущение. Автомобиль устойчив. Курс немного меняется но коррекция рулем компенсирует возмущение. Автомобиль движется прямо, но передние колеса немного повернуты.

Нейтральная поворачиваемость

Если увод осей одинаков, то радиус поворота таков каким он был бы на жестких. Такие автомобили называются автомобилями с нейтральной поворачиваемостью. При появлении боковой силы, автомобиль начинает боком «сползать» с дороги. Коррекция рулем легко компенсирует возмузение. Автомобиль движется немного боком по курсу.

Избыточная поворачиваемость

Если увод передней оси меньше увода задней, то радиус поврота меньше чем был бы на жестких колесах. При воздействии боковой силы появляется центробежная сила, которая не гасит возмущение. Автомобиль не устойчив. Курс меняется, коррекци рулем возможно (не всегда) компенсирует это изменение. Автомобиль движется боком, передние колеса повернуты.

Это самый неприятный эффект. Реально для водителей выглядит как «рысканье» автомобиля по казалось бы прямой дороге на большой скорости.

Автомобилей с чисто нейтральной поворачиваемостью не бывает. Как увод осей автомобиля меняется и по мере поворота рулевого колеса и в зависимости от крена кузова в повороте. Реальный современный автомобиль должен при любых условиях, любой загрузке, любом маневре иметь определенную недостаточную поворачиваемость. На практике борьба за управляемость выглядит как борьба с избыточной поворачиваемостью. Автомобиль с избыточной поворачиваемостью имеет такое понятие как «критическая скорость» выше которой он способен двигаться по криволинейной траектории без поворота руля. Такой автомобиль опасен если его максимальная скорость выше критической.

Методы борьбы с избыточной поворачиваемостью:

На передней оси:

• 1. Положительный развал передних колес автомобиля (колеса наклонены наружу).
• 2. Увеличение наклона колеса наружу поворота при крене. Этот метод доступен только на независимых подвесках.
• 3. Увеличение угловой (против крена) жесткости ПЕРЕДНЕЙ подвески относительно задней. Рекомендуется имеет соотношение угловых жесткостей передней относительно задней в диапазоне 1.4-2.6. Угловая жесткость подвески зависит от:
• 1. Рессорной (пружинной) колеи (расстояние между центрами рессор или пружин). Чем больше расстояние, тем больше угловая жесткость. Вот тут проблема т.к. на передней оси как правило поставить пружины/рессоры так же широко как на задней мешают поворотные кулаки. Тут преимущество имеет независимая подвеска т.к. её пружинная/рессорная колея как правило равна колесной.
• 2. Вертикальной жесткости подвески. Тут тоже небольшая нестыковочка. Как правило переменность веса груза, приходящегося на заднюю ось заставляет конструктора поставить более жесткие пружины/рессоры сзади а для управляемости желательно наоборот.
• 3. Наличия стабилизатора поперечной устойчивости (но это вредная штука, особенно для джипера. При наезде на препятствие только одним колесом, суммарная жесткость складывается из его жесткости и жесткости основного упругого элемента).

На задней оси:

• 1. Отрицательный развал задних колес автомобиля (колеса наклонены внутрь). Возможно только на независимой подвеске ведущей задней оси.
• 2. Увеличение наклона колес внутрь поворота при крене. Тоже касается только независимой подвески.
• 3. Уменьшение угловой жесткости задней подвески
• 4. Обеспечение кинематики направляющего устройства, которая бы при повороте подруливала (разворачивала) ось в сторону поворота. Как правило джиперы дорабатывая автомобили самостоятельно, эту кинематику наоборот портят. Например устанавливая в рессоры дополнительные листы или дополня рессоры пружиными чтобы рессора была сильнее выгнутая (а не прямая) в статическом положении. Подвеска при крене начинает наоборот подруливать в сторону противоположную повороту и делать автомобиль склонным к избыточной поворачиваемости. Подробнее о книематике подвеске в статье (Направляющие устройства подвески)
• 5. Установка дифференциала повышенного трения в заднюю ведущую ось (напримерQuaife,дискового, вискомуфты или Торсен).

Разворот задней оси в сторону поворота с целью снижения склонности автомобиля к избыточной поворачиваемости. Если на заднеприводном автомобиле и не применяется этот приём, то по крайней мере не допускается разворот оси в обратную сторону.

 

Влияние типа привода на управляемость автомобиля

Передний привод

Склонен к недостаточной повроачиваемости. Т.к. наличие тяги на оси снижает сопротивление силовому уводу шины, то наличие тяги на передней оси увеличивает силовой увод а её отсутствие на задней оси уменьшает силовой увод задней оси получаем автомобиль склонный к недостаточной поворачиваемости, что в общем благоприятно для автомобиля. Если недостаточная поворачиваемость избыточна, её легко уменьшить кинематикой направляющего устройства задней подвески (легче чем наоборот)

Полный привод

Если не брать во нимание кинематику подвески и соотношение угловых жесткостей, то автомобиль с полным приводом имеет поворачиваемость близкую к нейтральной т.к. тяга у него (как правило пежосевой дифференциал либо симметричный либо близок к симметричому) распределяется по осям равномерно. Полный привод заметно снижает требования к подвеске автомобиля. Это то, почему постоянный дифференциальный полный привод нужен не только на нестабильных грунтах, но и на сухом асфальте.

Задний привод

Склонен к избыточной поворачиваемости. Это самая сложная задача для конструктора подвесок. Приходится прибегать к целому ряду мер для снижения склонности автомобиля к избыточной поворачиваемости и идти на ряд компромисов. Список таких мер приводится выше.

 

 

Код для цитирования: Скопировать