Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса исследования криволинейного движения автомобиля и влияния параметров качения управляемых колес на его эксплуатационные характеристики 8
1.1. Анализ работ, посвященных устойчивости криволинейного движения автомобиля 8
1.2. Анализ работ, по исследованию влияния параметров качения управляемых колес на эксплуатационные характеристики автомобиля 16
1.3. Основные выводы, постановка цели и определение задач исследования 31
Глава 2. Наклон плоскостей управляемых колес и курсовая устойчивость движения грузового автомобиля 35
2.1. Общие положения 35
2.2. Влияние эластичности шин на курсовую устойчивость автомобиля 38
2.3. Влияние крена подрессоренных масс на курсовую устойчивость автомобиля 41
2.4. Исследование устойчивости автомобиля с помощью пространственной модели, учитывающей перераспределение нагрузок между бортами 44
2.5. Оценка влияния наклона плоскостей управляемых колес на параметры установившегося криволинейного движения автомобиля 46
2.6. Выводы 65
Глава 3. Вывод аналитической зависимости углов поворота и наклона плоскостей управляемых колес. Исследование наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость грузового автомобиля против опрокидывания и бокового скольжения 67
3.1. Оценка устойчивости автомобиля против опрокидывания без учета крена подрессоренных масс 68
3.2. Оценка устойчивости автомобиля против опрокидывания с использованием динамической модели, учитывающей крен подрессоренных масс 70
3.3. Теоретические основы процесса уменьшения интенсивности износа шин управляемых колес 76
3.4. Установление аналитической зависимости угла наклона плоскости управляемого колеса от угла его поворота, учитывающей скорость движения автомобиля, эластичность и увод автомобильного колеса 83
3.5. Решение задачи исследования влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость грузового автомобиля против опрокидывания и бокового скольжения 88
3.6. Выводы 100
Глава 4. Исследование качественного и количественного влияния наклона плоскостей управляемых колес на нагруженность несущих элементов передней оси грузового автомобиля в режиме криволинейного движения 102
4.1. Нагрузочный режим управляемого моста при движении автомобиля по криволинейной траектории 102
4.2. Теоретические основы исследования наклона плоскостей управляемых колес на напряженное состояние элементов передней оси 105
4.3. Аналитическое решение задачи исследования влияния наклона плоскостей управляемых колес на напряженное состояние несущих элементов передней оси 112
4.4. Выводы 122
Глава 5. Экспериментальное исследование влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость автомобиля и напряженно-деформированное состояние несущих элементов переднего моста при движении по криволинейной траектории 123
5.1. Лабораторно-дорожные исследования влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость автомобиля 123
5.1.1. Цель исследования. Измерительно-регистрирующая аппаратура. Подготовка к проведению эксперимента 123
5.1.2. Методика проведения эксперимента 126
5.1.3. Результаты эксперимента 129
5.2. Лабораторно-дорожные исследования влияния наклона плоскостей управляемых колес на напряженное состояние балки переднего моста 133
5.2.1. Цель исследования. Измерительно-регистрирующая аппаратура. 133
5.2.2. Градуирование измерительной системы 137
5.2.3. Подготовка к эксперименту. Методика проведения эксперимента 142
5.2.4. Результаты эксперимента 143
5.3. Выводы 145
Основные результаты и выводы 147
Библиография 150
- Анализ работ, по исследованию влияния параметров качения управляемых колес на эксплуатационные характеристики автомобиля
- Оценка влияния наклона плоскостей управляемых колес на параметры установившегося криволинейного движения автомобиля
- Теоретические основы процесса уменьшения интенсивности износа шин управляемых колес
- Теоретические основы исследования наклона плоскостей управляемых колес на напряженное состояние элементов передней оси
Введение к работе
Согласно Концепции развития автомобильной промышленности России одной из основных задач, которые предстоит решить государству и отрасли в период 2001 - 2010гг. является кардинальное повышение уровня безопасности автотранспортных средств, что должно повлечь за собой снижение тяжести последствий от ДТП за счет совершенствования их конструкции на 20 - 25% [130].
Неотъемлемой составляющей безопасности автомобиля в целом является способность сохранять устойчивость и управляемость движения, предотвращая такие явления как отклонение от заданного водителем курса, боковое скольжение автомобиля или его опрокидывание. Стремлением к снижению опасности криволинейного движения обусловлено появление и развитие сложных электронных систем стабилизации траектории ESP (Electronic Stability Programm), систем активного управления автомобилем AFS (Active Front Steering), позволяющих корректировать управляющие действия водителя [51].
Наиболее остро вопросы повышения устойчивости ставятся для грузовых автомобилей и автобусов, имеющих высокое расположение центра масс, а, следовательно, более подверженных негативному действию боковой силы инерции. Актуальность данной задачи подтверждается постановкой и реализацией международного научного проекта «Проведение комплекса исследований и подготовка рекомендаций по повышению устойчивости и управляемости автотранспортных средств, перевозящих опасные и жидкотекучие грузы (Требования ДОПОГ). Разработка международных Правил». Одним из этапов этой проблемы, решаемой с участием ряда европейских государств, являются исследования, проводимые МГТУ «МАМИ» под научным руководством профессора, д.т.н. Балабина И.В. при непосредственном участии автора данной диссертации.
Поскольку управляемые колеса автомобиля определяют его траекторию, весьма актуальным представляется детальное рассмотрение влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость криволинейного движения автомобиля и поиск дополнительных путей ее повышения.
6 Важное место в Концепции развития автомобильной промышленности России отведено повышению экологических и экономических параметров автомобилей [130]. В связи с этим необходимо помнить, что одним из основных факторов, обуславливающих расход топлива при эксплуатации, является сопротивление качению колес автомобиля. В процессе преодоления сил, препятствующих качению, имеет место истирание протектора шины и, как следствие, загрязнение частицами протектора поверхности дорожного полотна и атмосферы, что в масштабе мирового автомобильного парка наносит непоправимый ущерб экологическому состоянию территорий, лежащих в окрестностях городов и большого количества многокилометровых автомобильных дорог. Наибольшим сопротивлением качению в процессе поворота автомобиля обладают колеса управляемой оси в силу частого изменения их положения относительно дорожной поверхности. Установлено, что износ шин при движении автомобиля на повороте увеличивается пропорционально четвертой степени скорости автомобиля [72]. Поэтому, задача уменьшения проскальзывания в пятне контакта шин управляемых колес в режиме криволинейного движения, а, следовательно, и интенсивности их износа, представляет большой практический интерес и решение ее во многом определяется оптимальным положением плоскостей управляемых колес относительно дорожной поверхности.
Изменение ориентации колес, являющихся связующим звеном автомобиля с дорогой, не может не отражаться на нагруженности несущих элементов подвески автомобиля. Влияние положения управляемых колес не ограничивается нагрузочным режимом элементов подвески, снижение уровня которого открывает возможности уменьшения неподрессоренных масс, что положительно скажется на плавности хода автомобиля и динамике взаимодействия колеса с неровностями дороги [165].
Работа состоит из пяти глав и приложений. В первой главе содержится анализ публикаций, посвященных проблеме устойчивости криволинейного движения автомобиля, а также исследованию влияния параметров установки управляемых колес, определяющих их положение относительно дорожной поверхности, на эксплуатационные показатели автомобиля. На основе изложенного материала сформулированы цель и задачи отдельных этапов работы.
Во второй главе представлено описание некоторых подходов к изучению зависимости курсовой устойчивости автомобиля от его конструктивных факторов. Проведен расчет, позволяющий оценить степень влияния наклона плоскостей управляемых колес на курсовую устойчивость грузового автомобиля.
В третьей главе изложены принципы, положенные в основу вывода соотношения углов наклона и поворота управляемых колес, полученного д.т.н., профессором Балабиным И.В. и призванного уменьшить напряжения в пятне контакта шины с дорожной поверхностью, сокращая интенсивность износа шин. Принимая данное соотношение как базовое, выводится зависимость углов наклона управляемых колес от углов их поворота, направленная на максимальное уменьшение действующей на колеса осевой нагрузки в общем случае криволинейного движения.
Проводится теоретическое исследование влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость грузового автомобиля против опрокидывания и бокового смещения при криволинейном движении.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния наклона плоскостей управляемых колес на нагрузочный режим несущих элементов передней оси грузового автомобиля. Расчет напряженного состояния данных элементов выполнен с применением метода конечных элементов.
В пятой главе изложены результаты экспериментального подтверждения правомерности используемых расчетных моделей и схем. Проведена оценка точности эксперимента для последующего анализа точности теоретического решения поставленных задач.
Работа завершается общими результатами и выводами, достигнутыми в ходе проведенного исследования. Сделаны практические рекомендации по совершенствованию конструкции передней подвески грузовых автомобилей, позволяющие повысить их эксплуатационные качества, а также содержатся рекомендации о включении результатов данного исследования в учебные курсы соответствующих дисциплин.
Анализ работ, по исследованию влияния параметров качения управляемых колес на эксплуатационные характеристики автомобиля
Теория управляемости многоосных машин Литвинова А.С. получила развитие в работах Фаробина Я.Е. [145], и др.
В статье [56] Иларионов В.А. провел исследование устойчивости автомобиля при поперечном крене. В результате автором сделан вывод о том, что причиной опрокидывания автомобиля без предшествующего заноса является крен подрессоренных масс. Рассмотрев условия управляемости автомобиля на повороте [83], Иларионов В.А. и Красиков СМ. пришли к заключению о том, что «наличие у автомобиля недостаточной поворачиваемое не только увеличивает его устойчивость при прямолинейном движении, но и обеспечивает лучшее сохранение управляемости в процессе поворота».
Значительный вклад в разработку методики экспериментальной оценки устойчивости и управляемости автомобиля и обработки результатов экспериментальных исследований сделан Гинцбургом Л.Л. [25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]. При исследовании управляемости автотранспортных средств Гинцбург Л.Л. считает водителя неотъемлемым элементом рассматриваемой системы и полагает необходимым учет его характеристик, влияющих на направление движения автомобиля. В работе [27] автор делает вывод о том, что устойчивость управляемого движения автомобиля относительно траектории зависит от времени реакции и водителя и автомобиля на отклонения вектора скорости от намеченного направления движения автомобиля, подчеркивая при этом большую степень влияния на показатели устойчивости уводных характеристик передней и задней осей.
Результаты исследования влияния уводных характеристик шин на устойчивость автомобиля содержатся и в многочисленных работах Антонова Д.А. [1, 2, 3, 4, 5], особое место в которых занимают многоосные автомобили. Так в монографии [5] представлены выражения для определения критической скорости автомобиля с произвольным числом осей как при установившемся, так и при неустановившемся режиме движения. Автором указаны способы исследования устойчивости автомобиля с помощью второго метода Ляпунова при возмущениях, действующих постоянно, и весьма больших мгновенных возмущениях.
Вопросы, связанные с управляемостью большегрузных автомобилей рассмотрены в работе Брянского Ю.А. [19].
В целях повышения устойчивости криволинейного движения сочлененного автобуса Селифоновым В.В. и Лавровским Э.В. предложены конструктивные решения, заключающиеся в установке между секциями автобуса гидроцилиндров, работающих в функции угла складывания автобуса и обеспечивающих диссипативную связь его секций [128].
Исследованию влияния на устойчивость и управляемость автомобиля его отдельных конструктивных параметров посвящены работы Брылеева В.В. [18], Васильева Н.Г. [20], Войлопшикова В.В. [22], Карунина М.А. [64], Мерзликина П.А. [94], Немцова Ю.И. [104], Павленко В.В. [108].
Бахмутовым СВ. создан силовой метод оценки устойчивости и управляемости, позволяющий разделить и количественно оценить характеристики устойчивости и управляемости, а также в любых заданных условиях определить потенциальные силовые возможности автомобиля [15]. В диссертации [13] автором предложена универсальная методика двухэтапной многокритериальной параметрической оптимизации конструкции автомобиля по показателям управляемости и устойчивости. При этом автор указал на большое влияние характеристик шин при формировании показателей устойчивости и управляемости автомобиля.
Исследователями МГТУ им. Н.Э. Баумана предложена система динамической стабилизации криволинейного движения автомобиля, которая помимо обеспечения курсовой устойчивости способна повысить устойчивость автомобиля против опрокидывания путем изменения подачи топлива в двигатель и регулирования тормозных усилий на внешних колесах автомобиля по управляющему сигналу поперечного акселерометра [81].
Остро стоящая проблема активной безопасности автотранспортных средств, перевозящих опасные грузы заставляет отечественных и зарубежных специалистов планировать проведение на ФГУП НИЦИАМТ новых исследований, направленных на повышение устойчивости грузовых автомобилей [105], [118], [166].
Помимо вышеперечисленных работ вопросы, связанные с устойчивостью, управляемостью и математическим моделированием движения автомобиля, отражены в трудах Ароновича Г.В. [6], Боклага В. М. [17], Гаспарянца ГЛ. [23], Генбома В.В. [24], Долголенко Ю.В. [46], Ечеистова Ю.А. [48], Иванова В. И. [52], [53], Короткова Л. И. [80], Кравца В.Ф. [81], Метелицына ИЛ. [95], [96], Морозова Б.И. [102], Носенкова М. А. [107], Хашимова Д.И. [148], [149] и других авторов.
Проблема устойчивости и управляемости автомобиля затрагивается в работах многих зарубежных авторов. Работы института автомобильных инженеров (Proceedings of Institution of Automobile Engineers), первая из которых была опубликована в 1907г., ознаменовали начало развития теории устойчивости и управляемости автомобилей. Важным событием в развитии данной теории явилось открытие Г. Брулье (G. Broulhiet) в 1925 г. явления увода эластичных шин [173]. Основы современных взглядов на вопросы, связанные с устойчивостью и управляемостью автомобиля, были заложены М. Оллеем (М. ОПеу). Дальнейшее развитие эта проблема получила в работах Bastow D. [169], Dietz О. [177], Huber L., Grarzmuller L [184], Lanchester F. [191], Rickert P. и Schunk Т.Е. [205], которые рассматривали движение автомобиля на повороте с учетом эластичности шин.
За рубежом большое внимание уделялось влиянию аэродинамических сил на устойчивость, управляемость и параметры криволинейного движения автомобиля. Подобный интерес к этой стороне данного вопроса был вызван поиском новых решений задачи проектирования спортивных автомобилей. Этой проблеме посвящены работы многих исследователей, в числе которых Bohm R, Fischer J.GauP F., Heald R.H. [187], Marti Othmar K. [196], Railton R.A. [204].
Исследование движения автомобиля при переменном угле поворота управляемых колес было начато в работах Shilling К. и ОПеу М. и развивалось Julien М.А. и Rocard Y. [206]. Переходные процессы исследовались Witcom D. и Millicken W. Теория бокового увода разрабатывалась Fiala Е. [179], Hadekel R. [185], SegelL. [207], и др.
Вопросы, связанные с влиянием на устойчивость и управляемость автомобиля конструкции его подвески освещены в работах Enke К., White Н., Эллиса Д.Р. [163] и др. Система автомобиль-водитель наиболее подробно рассматривается в работах Raschevsky N.A., результаты недавних исследований в этой области содержатся в публикациях [176], [190], [197].
Оценка влияния наклона плоскостей управляемых колес на параметры установившегося криволинейного движения автомобиля
Не менее важной является проблема повышения устойчивости автомобиля против опрокидывания, глубокое изучение которой сопряжено с объемными вычислениями, требующими применения современных электронно-вычислительных машин. Увеличение скоростей движения большегрузных автомобилей в большей степени обострило необходимость решения данной задачи, о чем свидетельствует важное место, отводимое ей в проводимых отечественными и зарубежными специалистами исследованиях, направленных на повышение устойчивости и управляемости автотранспортных средств, перевозящих опасные и жидкотекучие грузы.
Показатели устойчивости движения автомобиля в значительной степени зависят от параметров качения управляемых колес, в частности направления и величины их наклона к дорожной поверхности.
Стремление снизить интенсивность износа шин управляемых колес при движении по криволинейной траектории, уменьшить увод управляемых колес и предотвратить их боковое скольжение при неполной реализации сцепных возможностей шин и дорожной поверхности требует отклонения плоскостей вращения управляемых колес к центру поворота. В то же время для предотвращения вероятности возникновения избыточной поворачиваемости, негативно отражающейся на курсовой устойчивости, для которого целесообразно обеспечивать отклонение плоскостей вращения управляемых колес от центра поворота.
Тем не менее, увеличение угла продольного наклона осей поворота управляемых колес легковых автомобилей свидетельствует о том, что ведущие автопроизводители за рубежом отдают предпочтение конструкции направляющего аппарата подвески, обеспечивающего наклон управляемых к центру поворота при криволинейном движении. При этом не исследованной представляется степень влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость автомобиля против опрокидывания на криволинейной траектории.
Рекомендации, сделанные д.т.н., профессором Балабиным И.В. относительно соотношения углов поворота и наклона плоскостей управляемых колес к центру поворота, призванного обеспечить свободное качение управляемых колес и за счет этого реализовать снижение нагрузочных режимов несущих элементов передней подвески и уменьшить интенсивности износа шин, справедливы для криволинейного движения, сопровождающегося незначительной по величине боковой нагрузкой, действующей на колеса автомобиля. Предложенное Балабиным И.В. соотношение (1.2) следует рассматривать как базовое с последующим модифицированием, учитывающим скоростные параметры движения автомобиля и эластичность шин. 3. Если кинематика разнообразных по конструкции независимых подвесок управляемых колес легковых автомобилей обеспечивает различные по величине и направлению варианты наклона плоскостей вращения управляемых колес при движении по криволинейной траектории, то ориентация управляемых колес грузовых автомобилей с зависимой передней подвеской определяется только углами установки управляемых колес, осей их поворота и жесткостными характеристиками шин. В настоящее время соотношение углов установки осей поворота управляемых колес грузовых автомобилей, в состоянии обеспечить наклон плоскостей обоих управляемых колес к центру поворота только в ограниченном диапазоне. 4. Большое количество научных работ затрагивает вопросы взаимосвязи углов установки управляемых колес и осей их поворота со стабилизацией прямолинейного движения автомобиля, интенсивностью износа шин, легкостью рулевого управления, автоколебаниями управляемых колес и т.д., при этом проблема влияния данных конструктивных параметров на нагруженность несущих элементов подвески при криволинейном движении остается малоизученной, несмотря на то, что наклон плоскости вращения колеса во многом определяет величину и характер нагрузок, приложенных к данному колесу, а, следовательно, и к несущим элементам подвески. Решение данной задачи может указать пути совершенствования конструкции передней подвески в направлении снижения неподрессоренных масс. Сделанные выводы указывают на тесную взаимосвязь параметров качения управляемых колес и показателей устойчивости криволинейного движения транспортного средства, а также целого ряда его эксплуатационных качеств. Изучение данной связи применительно к автомобилям с высоким расположением центра тяжести, для которых проблема повышения устойчивости движения ставится более остро, представляет чрезвычайную важность. В связи с этим целью данной диссертационной работы является исследование влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость грузового автомобиля в экстремальных режимах движения по криволинейной траектории, а также поиск соотношения углов наклона и поворота управляемых колес, позволяющего наряду с повышением устойчивости автомобиля уменьшить интенсивность бокового проскальзывания шин управляемых колес и снизить уровень нагрузок, воспринимаемых элементами передней оси автомобиля. Задачами данной работы являются: 1. Определение рационального соотношения углов поворота и наклона плоскостей вращения управляемых колес для общего случая криволинейного движения из условия максимального уменьшения осевых нагрузок, действующих на управляемые колеса. 2. Проведение расчетно-аналитического исследования влияния наклона плоскостей управляемых колес на курсовую устойчивость установившегося движения, которое позволит оценить вероятность возникновения негативно отражающейся на курсовой устойчивости избыточной поворачиваемое автомобиля, при реализации рекомендаций, предписывающих обеспечивать отклонение плоскостей управляемых колес к центру поворота. 3. Создание математической модели автомобиля, и аналитическое исследование степени влияния наклона плоскостей управляемых колес на устойчивость грузового автомобиля против опрокидывания и бокового скольжения при движении по криволинейной траектории. 4. Исследование НДС несущих элементов переднего моста автомобиля в зависимости от наклона плоскостей управляемых колес к дорожной поверхности. 5. Проведение экспериментальных исследований в дорожных условиях с целью подтверждения адекватности используемых расчетных моделей и справедливости аналитических результатов, определяющих зависимость показателей устойчивости криволинейного автомобиля и нагруженности элементов переднего моста от наклона плоскостей управляемых колес, и разработка рекомендаций по их практическому применению.
Теоретические основы процесса уменьшения интенсивности износа шин управляемых колес
Результаты исследования влияния наклона плоскостей управляемых колес на курсовую устойчивость движения [33], [40], [142] указывают на целесообразность применения конструкции передней подвески, обеспечивающей отклонение плоскостей управляемых колес в сторону действия боковой силы, обусловленной криволинейным движением автомобиля. Цель, которой должны служить подобные конструкторские решения - обеспечение большего увода передних колес, нежели задних, с целью создания небольшой недостаточной поворачиваемости с разностью углов увода передней и задней осей ?, - S2, составляющей 2-3 при боковой нагрузке Fy = 0,4 Ga.
Однако подобные взгляды на обеспечение курсовой устойчивости, сформировались в период, когда учет стабилизирующих свойств шин с относительно малой шириной профиля при рассмотрении процесса криволинейного движения автомобиля представлялся незначительным, не учитывалось и действие иных факторов, предотвращающих произвольное уменьшение радиуса траектории автомобиля, таких как стабилизирующие моменты, обусловленные параметрами установки управляемых колес и перераспределением нагрузок между бортами.
Технические мероприятия, реализованные в конструкции современных автомобилей и направленные на поддержание устойчивого движения по траектории, заданной водителем, а также стабилизирующие свойства современных шин дают основания для пересмотра рекомендаций, изложенных выше.
В работах Балабина И.В., Кнороза В.И., Трубникова В.М., затрагивающих вопросы криволинейного качения колеса, отмечен ряд негативных явлений, возникающих при качении колеса с наклоном в сторону действия, боковой составляющей силы инерции. Поскольку, при этом, как было сказано выше, боковая составляющая силы инерции, вызывающая увод, и сила, возникающая при наклоне колеса, оказываются направленными в одну сторону, боковые реакции в контакте контакта шины и дорожной поверхности, вызванные данными силами, суммируются, что выражается в дополнительном сопротивлении качению, увеличении напряженности контакта и частичном проскальзывании элементов протектора относительно опорного основания, чему сопутствует повышение интенсивности износа шин.
Возросшая боковая нагрузка, действующая на колесо, наклоненное от центра поворота, увеличивает опасность возникновения бокового скольжения колеса, снижая устойчивость автомобиля против бокового скольжения.
Во избежание подобных явлений в литературе [8], [9], [73], [74], [123], [139] содержатся рекомендации при проектировании передней подвески автомобиля применять конструктивные решения, позволяющие осуществлять отклонение плоскостей управляемых колес к центру поворота автомобиля.
Таким образом, возникает противоречие между стремлением обеспечить недостаточную поворачиваемость, необходимую для сохранения курсовой устойчивости, реализуя наклон плоскостей управляемых колес в сторону крена подрессоренных масс, и мероприятиями, направленными на уменьшение износа шин при движении автомобиля по криволинейной траектории, снижение вероятности бокового скольжения колес и получение целого ряда других преимуществ, заключающимися в обеспечении наклона плоскостей управляемых колес к центру поворота автомобиля.
Разрешение данного противоречия возможно путем количественной оценки влияния наклона плоскостей управляемых колес на поворачиваемость автомобиля, которая определяется разностью углов увода передней и задней осей.
В качестве объекта исследования принимается двухосный грузовой автомобиль средней грузоподъемности с двойной ошиновкой задних колес ЗиЛ -431410.
Динамическая модель автомобиля, позволяющая решить поставленную задачу с учетом наиболее значимых факторов, влияющих на процесс криволинейного движения, представляет собой пространственную систему, приведенную на рис 2.4. Для описания движения данной модели выберем подвижную систему координат, начало которой расположено в точке О пересечения вертикальной оси Z, с осью крена О/ 0 , и неподвижную систему координат с началом в точке О . Поскольку передняя и задняя подвески автомобиля ЗиЛ - 431410 зависимые, принимаем, что ось крена проходит через центры передней и задней осей и параллельна дорожной поверхности. При этом продольная ось X также проходит через центры передней и задней осей, а ось Y имеет направление ей перпендикулярное. Представленная динамическая модель автомобиля обладает пятью степенями свободы, а именно: - перемещение системы в направлении осей X, Y; - перемещение подрессоренных масс относительно вертикальной оси Z, проходящей через центр тяжести автомобиля; - перемещение подрессоренных масс относительно поперечной оси У, проходящей через центр тяжести автомобиля (клевок); - перемещение подрессоренных масс относительно продольной оси X (крен); Принимаем, что каждая реакция, действующая на колесо, приложена в геометрическом центре пятна контакта, равнодействующие реакций на колесах задней оси, приложены между сдвоенными колесами. Колеса задней оси -ведущие, передней - ведомые. Данная модель позволяет учесть влияние наклона плоскостей управляемых колес ав,ан на процесс криволинейного движения, который определяется параметрами установки управляемых колес и радиальной деформацией их шин, вызывающей поворот передней оси относительно оси X на угол ц/ш і. Углы наклона плоскостей управляемых колес могут также быть определены как функция, выражающая заданную зависимость между ними и углами поворота управляемых колес. Принимаем, что колеса задней оси во всех случаях ориентированны перпендикулярно дорожной поверхности. Наклон плоскостей колес и боковая деформация шин влекут за собой возникновение опрокидывающих моментов Мопр на колесах. Поскольку угол наклона плоскостей колес задней оси равен нулю, опрокидывающие моменты на задних колесах автомобиля обусловлены только лишь боковой деформацией шин.
Теоретические основы исследования наклона плоскостей управляемых колес на напряженное состояние элементов передней оси
Одной из наиболее актуальных задач, связанных с улучшением эксплуатационных качеств автомобиля, является повышение износостойкости шин управляемых колес, в частности при движении автомобиля по криволинейной траектории, где износ шин особенно заметен. Наиболее эффективным методом, призванным сократить интенсивность износа шин управляемых колес при движении по криволинейной траектории, является оптимизация величины наклона плоскости колеса к дорожной поверхности.
Наклоненное колесо стремится катиться в сторону наклона по кривой определенного радиуса, что объясняется неодинаковой радиальной деформацией кольцевых элементов шины, соответствующих различным сечениям (см. рис. 3.7). Каждый элемент имеет свой, отличный от других динамический радиус и стремится катиться с соответствующей этому радиусу линейной скоростью при заданной угловой скорости вращения колеса.
Элементы, имеющие меньшую радиальную деформацию и, следовательно, больший динамический радиус могут двигаться с большей линейной скоростью, а элементы, имеющие большую радиальную деформацию - с меньшей. Тем не менее, принадлежащие колесу элементы имеют одинаковые линейные скорости при одинаковых угловых, а значит и их динамические радиусы также одинаковы. Это достигается в результате действия продольных реакций, вызывающих увеличение радиальной деформации элементов шины, имеющих больший динамический радиус. При этом реакции X и X", действующие на внутреннюю и наружную кромки колеса, оказываются противоположно направленными (см. рис. 3.7) [153]. Обусловленные наклоном колеса радиальные деформации взаимосвязаны с угловыми и боковыми деформациями, вызванными моментом Мр и реакцией боковой силы h 6 р, которые сопровождают качение наклоненного колеса [73].
Наличие дополнительных продольных реакций способствует увеличению интенсивности износа шин. Если наклон колеса достигает такой величины, что радиальная деформация, вызванная дополнительными продольными реакциями, оказывается не в состоянии компенсировать разницу между динамическими радиусами кольцевых элементов шины, наблюдается проскальзывание данных элементов в продольном направлении, что особенно негативно отражается на износостойкости шин.
Стремление наклоненного колеса к криволинейному движению спровоцировано внешней осевой силой и моментом. Величина осевой силы и момента уменьшается по мере приближения траектории движения колеса к так называемому «свободному» радиусу, по которому катится ни с чем не связанное наклоненное колесо. Качение колеса по свободному радиусу характерно отсутствием внешнего момента и внешней осевой силы, и как прямое следствие, меньшей напряженностью в контакте и меньшим износом шины [73].
Если колесо имеет угол наклона, для которого радиус качения не является свободным, то нагрузки, приложенные к колесу возрастают. При этом интенсивность возрастания нагрузок больше в том случае, когда колесо отклоняется в сторону, противоположную центру кривизны его траектории, то есть от центра поворота [73].
Изложенные соображения легли в основу рекомендаций, приведенных в работах [8], [73], [139], авторы которых предписывают обеспечивать наклон плоскостей управляемых колес автомобиля к центру поворота, что должно существенно сократить потери в контакте колеса и дорожной поверхности и уменьшить интенсивность износа шин управляемых колес.
Положительное влияние наклона плоскостей управляемых колес к центру поворота на износотойкость шин было подтверждено экспериментально [9]. Износные испытания шин, проведенные на грузовом автомобиле с колесной формулой 6x4 грузоподъемностью 8 т., показали, что вследствие увеличения продольного наклона осей поворота управляемых колес с 2 до 830 интенсивность износа шин при движении по круговой траектории уменьшилась в 3 раза для наружного колеса и в 2,5 раза для внутреннего, кроме того, существенно снизилась неравномерность износа по ширине шин. Данные результаты объясняются тем, что увеличение продольного наклона осей поворота способствует отклонению плоскостей управляемых колес к центру поворота, приближая величину угла их наклона к значению, при котором радиус траектории движения колес является «свободным».
Единогласие положений, содержащихся в работах [8], [73], [139] лишь подтверждает их справедливость, однако вопрос о величине наклона колес, которая обеспечивала бы их движение по «свободному радиусу» долгое время оставался открытым.
Аналитическое выражение, определяющее положение колеса относительно дорожной поверхности, при котором будет возможно его чистое качение, было установлено д.т.н., профессором И.В. Балабиным и представлено в статье «Закон оптимального соотношения углов поворота и наклона управляемых колес при движении автомобиля по криволинейной траектории» [8]. В качестве примера чистого качения тела по криволинейной траектории был взят случай качения конуса по твердой поверхности. Для того чтобы внутреннее и наружное управляемые колеса, изображенные на рис. 3.8 а, совершали чистое качение, радиусы их круговых траекторий Re, RH должны являться образующими воображаемых конусов, основания которых есть сами колеса, занявшие положения Г и 2 . При этом радиусы Re, R„ в соответствии с рис. 3.8а определяются следующим выражением:
Из схемы криволинейного движения автомобиля в плане, изображенной на рис. 3.86, можно также получить соотношение, устанавливающее значения радиусов траекторий внутреннего Re и наружного Ru управляемых колес:
В результате подстановки правой части равенства (3.14) в равенство (3.15), была получена зависимость (1.2) углов наклона и поворота внутреннего и наружного управляемых колес, обеспечивающие чистое их качение по криволинейной траектории:
