Transcript Тема 7 Устойчивость Определения Для управления курсовым и боковым движениями автомобиля водитель, поворачивая управляемые колеса, создает управляющие силы.

Тема 7
Устойчивость
Определения
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
(устойчивым).
Влияние возмущений на характер движения может быть
различным в зависимости как от параметров невозмущенного
движения, так и от 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
a и неустойчивым по траектории).
При изучении свойств автомобилей рассматривают условия
устойчивости движения по боковому смещению, угловой скорости
(a, опрокидыванию в поперечной и продольной плоскостях.
Неустойчивость по угловой скорости поворота может быть
вызвана
боковыми
деформациями
шин
с
частичным
проскальзыванием отдельных элементов их контактных площадок,
полным скольжением передних и задних колес, или полным
скольжением задних колес. Последний случай называют заносом.
У многозвенных автопоездов рассматривают условия
устойчивости движения каждого из звеньев. Устойчивость
оценивают параметрами неустойчивого звена.
Параметры невозмущенного движения, определяющие границу
между
устойчивостью
и
неустойчивостью,
называют
критическими.
В ряде случаев граничные условия могут определяться одним
из параметров невозмущенного движения. Например условия
возникновения опрокидывания или бокового скольжения при
установившемся круговом движении с заданным радиусом
поворота полностью определяются его скоростью. Эту скорость
называют критической по опрокидыванию. Также определяется и
граничное условие устойчивого и неустойчивого движения по
угловой скорости поворота.
Иногда граничные условия устойчивости и неустойчивости
определяются не параметрами движения, а положением
автомобиля или его звеньев в пространстве (устойчивость
положения). Критические условия при этом определяются
поперечным и продольным наклонами дороги относительно
горизонтальной плоскости.
Значения критических параметров движения или положения
существенным образом зависят от некоторых свойств автомобиля,
определяемых его конструктивными параметрами.
Устойчивость - совокупность свойств определяющих
критические параметры по устойчивости движения и положения
автотранспортного средства или его звеньев.
Оценочные показатели
Оценочными
показателями
устойчивости
являются
критические параметры движения и положения. Общепринятая
система оценочных показателей устойчивости отсутствует. В
дальнейшем будем использовать следующие основные оценочные
показатели:
критические скорости Vкр по боковому скольжению и Vкр.оп по
боковому опрокидыванию;
критические углы косогора кр. по боковому скольжению и
кр.оп - по боковому опрокидыванию;
коэффициент поперечной устойчивости пу=В/2hg;
критические скорости Vкр по курсовой устойчивости и Vкр.ап
автопоезда по влиянию прицепа.
Скорости Vкр и Vкр.оп соответствуют установившемуся
круговому движению по дороге с заданным радиусом поворота R и
углом  поперечного наклона плоскости дороги к горизонту (углом
косогора). Скорость Vкр - соответствует прямолинейному или
установившемуся круговому движению по горизонтальной дороге.
Критической скоростью Vкр.ап называют установившуюся скорость
прямолинейного движения автопоезда, при которой виляние
прицепа в каждую сторону превышает 3% его габаритной ширины.
По приведенным выше оценочным показателям нормы
отсутствуют.
Кроме указанных оценочных показателей, в теории и практике
используют и другие, прямо или косвенно характеризующие
устойчивость. Критический угол кр продольного уклона по
буксованию характеризует скорее тягово-скоростные свойства и
проходимость, чем устойчивость. Угол кр можно рассчитать.
Критический угол кр.оп по опрокидыванию в продольной
плоскости характеризует главным образом возможности движения
автомобилей высокой проходимости по грунтовым дорогам и
бездорожью, так как этот вид неустойчивости практически не
встречается на благоустроенных дорогах. При равномерном
движении одиночного автомобиля на подъеме
кр.оп=arctg(b-farд)/hg.
В нашей стране при испытаниях новых автомобилей
используют
также
следующие
оценочные
показатели:
коэффициент поперечной устойчивости пу; угол  статической
устойчивости по опрокидыванию; угол крена ψкр; устойчивость по
опрокидыванию (в баллах); скорость Vкк появления курсовых
колебаний; скорость Vопр начала снижения устойчивости против
опрокидывания.
Угол  определяют на стенде, имеющем платформу, которая
может наклоняться на различные углы в поперечной плоскости.
Критическим считается угол , при котором начинается боковое
опрокидывание автомобиля. Этот оценочный показатель, как будет
показано ниже, аналогичен критическому углу косогора кр.оп и
может косвенно оценивать значения Vкр.оп. Угол ψкр определяют на
том же стенде, он служит для косвенной оценки устойчивости по
боковому опрокидыванию.
Устойчивость по опрокидыванию определяют по результатам
субъективной оценки испытателями при выполнениях маневров
«переставка», «поворот» и «торможение на повороте». В качестве
одного из оценочных показателей устойчивости в некоторых
методиках испытаний по устойчивости и управляемости
предлагается угол дрейфа д. Это угол между продольной осью
автомобиля и направлением вектора скорости точки продольной
оси, являющейся проекцией центра поворота на эту ось при
круговом движении со скоростью, близкой к нулю. У двухосного
автомобиля д=2. Угол д характеризует склонность автомобиля к
заносу. Рекомендуется, чтобы при боковом ускорении jу=4 м/с в
пределах скоростей движения V=40…100 км/ч угол д7°. При
этом сохраняется возможность ликвидации заноса без перехвата
рулевого колеса.
Условия потери устойчивости в случае, когда
невозмущенное движение является установившимся
круговым.
Для нахождения критических параметров устойчивости в этом
случае удобно воспользоваться методом Даламбера, т.е.
рассматривать условия равновесия автомобиля с учетом силы
инерции Риу, приложенной в центре масс. Поскольку поперечная
составляющая силы тяжести приложена в центре масс и так же как
и Риу 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 Gasin была направлена в сторону,
противоположную Риу.
Дорогу в этом случае можно рассматривать как часть
внутренней поверхности конуса, ось 00' которого вертикальна
(рис.). Под действием поперечных сил происходит крен кузова в
направлении действия большей из них (Риу>Gasin). В результате
крена центр масс смещается от плоскости, перпендикулярной
дороге и проходящей через продольную ось на величину hкр ψкр.
Схема сил, действующих на автомобиль при движении на вираже
Условия при которых возникает боковое скольжение колёс,
можно найти, воспользовавшись уравнением равновесия
поперечных сил и реакций дороги
Риуcosβ-Gаsinβ=∑Ry,
∑Ry=∑Ryв+∑Ryн - сумма проекции на поперечную ось реакции,
деиствующих на колеса.
Из рис. следует что
∑Ry=Ry1нcosθн + Ry1вcosθв+Ry2+Rх1нsinθн+Rx1вsinθв.
При боковом скольжении колёс
Ry1в= Rz1вφу1в; Ry1н=Rz1вφу1н; Ry2=Rz2φу2.
Если углы θ и реакции Rх невелики, а также φу1н=φу1в=φу2=φу1,
то приближенно
∑Ry=(Rz1+Rz2)φу=(Gаcosβ+ Риуsinβ)φу.
Принимая во внимание что Риу=maV2/R найдем критическую по
боковому скольжению скорость Vкр.φ
 у  tg
y  
Vкр  3,13
R  3,13
R.
1   y tg
1  y
Если движение происходит на горизонтальной дороге, то β=0 и
критическая скорость по боковому скольжению
Vкр  3,13  y R .
Если Руcosβ<Gаsinβ, то направление боковых реакции ∑Ryн и
∑Ryв изменяются. Опасность возникновения бокового
скольжения в этом случае тем больше, чем меньше скорость V
(поcкольку в этом случае уменьшается силa Риу) и больше угол
β.
Наименьшее
значение
угла
β,
соответствующего
возникновению бокового скольжения при V=0 называют
критическим углом косогора по боковому скольжению.
Принимая во внимание что при V=0, Риу=0 и изменяется
знак ∑Ry, найдем
βкрφ=arctgφy
Vкр .оп  3 ,13
B  2 hg tg 
2 hg  Btg 
R  3 ,13
B  2 hg 
2 h g  B
На горизонтальной дороге β=0
Vкр .оп  2 ,21 BR / hg  R .
 кр .оп  arctg
R.
BRg  2V 2 hg
2hg Rg  V B
2
Для неподвижного или движущегося прямолинейно автомобиля
βкр.оп=arctgB/(2hg).
.
Коэффициент поперечной устойчивости
Потеря устойчивости по опрокидывании, более опасна, чем по
боковому
скольжению.
Поэтому
автомобили
стремятся
спроектировать так чтобы
Vкрφ<Vкр.оп.
Подставив вместо Vкрφ и Vкр.оп их значения получим, что
неравенство выполняется, если
B/(2hg)>φy.
Конструктивный
параметр
B/(2hg)=ηпу,
называется
коэффициентом поперечной устойчивости.
В условиях эксплуатации ηпу не остаётся постоянным,
поскольку hg зависит от степени загрузки и вида груза. Обычно
приводятся значения ηпу для негружёного автомобиля и при полной
его нагрузке равномерно распределенным грузом, наиболее
характерным для данного типа автомобиля.
Чтобы надежно обеспечить выполнение неравенств Vкрφ<Vкр.оп
и βкрφ<βкр.оп следует принимать в расчет наибольшее значение
коэффициента φу в условиях, для которых предназначен
автомобиль. Если принять φу=0,7…0,9 и иметь в виду, что при
выводе неравенства не учтено уменьшение плеча m за счет крена,
то следует считать желательным ηпу>1.
Курсовая устойчивость
Одной из задач управления является ориентирование в пространстве
продольной оси автомобиля, т.е. обеспечение его курсового положения
определяемого курсовым углом γ. В зависимости от цели управления,
водитель в результате управляющих воздействий стремится или
поддержать угол γ постоянным или изменять его определенным образом.
Кроме управляющих сил на автомобиль действуют возмущения
(помехи), вызывающие отклонения угла γ от задаваемого. К
возмущениям относятся и погрешности воздействий водителя на рулевое
колесо, возникающие вследствие того, что он судит о правильности
воздействия только по реакции на него, которое всегда несколько отстает
по отношению к воздействию.
Любые посторонние боковые силы, действующие на колеса,
изменяют направления их движения по сравнению с задаваемыми
водителем (если силы малы, то в результате увода, а если достаточно
велики, то — скольжения) и изменяют курсовое положение автомобиля.
Энергия, затрачиваемая боковыми силами на боковое смещение
колес, как при уводе, так и при скольжении, теряется безвозвратно.
Поэтому сами боковые отклонения являются необратимыми. В
результате изменения направления качения колес изменяется и угол γ,
причем без дополнительного управляющего воздействия автомобиль не
может возвратиться к прежнему положению. Следовательно, по
курсовому углу автомобиль как чисто механическая система всегда
неустойчив.
Изменение параметров движения автомобиля под
действием случайных внешних сил
Внешние силы, действующие на автомобиль помимо
управляющих, всегда являются для водителя случайными
и неизвестными.
Вызванные ими отклонения в траектории движения и
курсовом положении могут быть устранены лишь в
результате корректирующих управляющих воздействий.
Необходимые число и величина корректирующих
поворотов рулевого колеса (подруливание) зависит как от
величины и характера приложения случайных сил, так и
от характера реакции автомобиля на возмущения, что
зависит от конструктивных особенностей автомобиля.
Все внешние силы могут быть сведены к силе,
приложенной в центре масс автомобиля, и моменту. В
этом случае будем рассматривать только боковую
составляющую силы Рув и момент Мzв относительно оси,
нормальной к плоскости дороги.
Схемы движения автомобиля с
разной поворачиваемостью
при воздействии внешних сил:
а – при исходных
положительных направлениях
сил и параметров; б – при
избыточной поворачиваемости;
в – при недостаточной
поворачиваемости.
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:
 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.
 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.
 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 (например Quaife, 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.
Аэродинамическая устойчивость
Под действием боковой аэродинамической силы Рwу и
поворачивающего момента Мwz происходит изменение
курсового угла и боквое смещение центра масс
автомобиля, а под действием суммы моментов Рwуhg+Mwх
и Pвhg+Mwy перераспределение нормальных реакций.
Наиболее важным является влияние аэродинамических
сил на изменение курсовых и боковых параметров
движения. Если считать аэродинамические силы и
моменты постоянными, то для расчета их влияния на
скорости ωа и Vу можно воспользоваться формулами
(266) и (267), считая в них Рув=Рwу и Mzв=Mwz. Сила Рwу
может быть найдена по формуле (40), в которой Vw равно
результирующей скорости
Устойчивость движения автопоезда по вилянию прицепа
При достижении определенной скорости (обычно V=35…40км/ч и
выше) у прицепа возникают поперечные колебания в
горизонтальной плоскости (виляние прицепа).
В результате этого явления увеличивается ширина полосы
движения автопоезда, что отрицательно сказывается на
безопасности движения — появляется опасность заноса прицепа и
схода его с дороги, затрудняется управление автопоездом,
повышаются нагрузка на крюке и расход топлива, увеличивается
износ шин и шарнирных соединении участвующих в движениях,
вызываемых вилянием прицепа.
Виляние прицепа возникает как следствие его начального
отклонения, причинами которого могут быть: выход автопоезда из
поворота; движение прицепа с уводом при наличии поперечного
уклона дороги; наезд его колес на препятствие и боковой удар;
боковой ветер.
Контрольные вопросы
Какие основные понятия и определения используют
при изучении раздела Устойчивость?
2. Что такое устойчивое движение автомобиля?
3. Оценочные показатели устойчивости?
4. Условия потери устойчивости?
5. Какой угол критическим углом косогора по боковому
скольжению?
6. Что такое коэффициент поперечной устойчивости?
7. Курсовая устойчивость автомобиля?
8. Как изменяются параметры движения автомобиля
под действием случайных внешних сил?
9. Как движется автомобиль с разной
поворачиваемостью при воздействии внешних сил?
10. Аэродинамическая устойчивость автомобиля?
1.
Тема 7
Устойчивость