3.3 Устойчивость автомобиля при прямолинейном движении
Прямолинейное движение автомобиля может быть неустойчивым: при постоянном угле поворота рулевого колеса наблюдается дрейф курсового угла – «автомобиль не держит дорогу». Причиной такой неустойчивости является избыточная поворачиваемость автомобиля. При этом не достигаются предельные по сцеплению боковые реакции колес, и не происходит опрокидывания.
Рассмотрим причину дрейфа курсового угла автомобиля.
Пусть при движении автомобиля на повороте случайно уменьшился радиус поворота Rп. Тогда угол увода 2 станет больше 1, центр поворота OП переместится вверх (см. рис. 2.3), радиус поворота станет еще меньше. Процесс уменьшения радиуса далее будет прогрессировать, и автомобиль выйдет за границы полосы движения. Дрейф может предотвратить водитель, если он вовремя уменьшит угол поворота управляемых колес. Очевидно: если этому не препятствуют другие транспортные средства.
При избыточной поворачиваемости скорость движения автомобиля ограничена критической скоростью Vкр. Значение скорости Vкр находят из решения системы дифференциальных уравнений, описывающих боковое и вращательное движение автомобиля:
.
(28)
Чем больше избыточная поворочиваемость – больше разница Y1 – Y2, тем меньше критическая скорость. Критическая скорость возрастает при увеличении базы L автомобиля.
Сопротивление уводу шин зависит от нагрузок на оси автомобиля. Если увеличить нагрузку на заднюю ось, то коэффициент сопротивления уводу Y2 задней оси уменьшится (см. рис. 2.2). Автомобиль приобретет избыточную поворачиваемость. Если увеличить давление воздуха в шинах задней оси, то их сопротивление уводу уменьшится, снова получим избыточную поворачиваемость.
Сопротивление шин уводу зависит от их нагруженности продольными реакциями: тяговыми или тормозными. При действии тяговых и тормозных сил снижается сопротивление шин уводу.
У автомобиля с приводом на заднюю ось тяговые силы уменьшают сопротивление уводу колес этой оси и способствуют образованию избыточной поворачиваемости. У автомобиля с приводом на переднюю ось тяговые силы способствуют образованию недостаточной поворачиваемости. Поэтому переднеприводные автомобили более устойчивы.
3.4 Устойчивость автомобиля при торможении
При расследовании ДТП часто приходится рассматривать торможение автомобиля, когда на него действуют боковые силы. Устойчивость автомобиля при торможении определяется характеристиками его шин.
Сначала рассмотрим торможение автомобиля юзом, когда все его колеса скользят.
При скольжении колесо не вращается, контакт шины скользит по дороге. В таком режиме реакция R колеса направлена против скорости Vс скольжения контакта (рис. 3.3), равной скорости центра колеса. Величина реакции определяется коэффициентом сцепленияБшины в режиме скольжения (юз): R = Б PZ, где PZ – нормальная нагрузка на колесо. Реакцию разлагаем на продольную и боковую ее составляющие: RX и RY (см. рис. 3.3). Реакции RX снижает скорость VCX автомобиля в продольной плоскости, а реакция RY – скорость VCY в поперечной плоскости.
Обычно протектор шины имеет несимметричный рисунок в указанных плоскостях и коэффициент сцепления XБ отличается от YБ. При повороте колеса на угол увода реакция R описывает эллипс, который называют эллипсом трения. Однако при расследовании ДТП обычно нет данных об фактических значениях XБ и YБ, и принимают XБ = YБ.
Рис. 3.3. Распределение реакций при скольжении колеса (юз)
При торможении юзом реакция R направлена против скорости Vс и не зависит от угла увода колеса. При повороте управляемых колес направление реакции R не изменяется. Следовательно, автомобиль не реагирует на поворот руля и становится неуправляемым. Например, при торможении юзом на повороте автомобиль будет двигаться по касательной к окружности, удержать его в пределах круговой полосы движения невозможно.
При торможении на уклоне на автомобиль действует внешняя боковая сила, которая уменьшает величину его бокового замедления. Скорость автомобиля в продольной плоскости теперь снижается до нуля раньше, чем его скорость в поперечной плоскости. В конце процесса торможения автомобиль начинает скользить в боковом направлении: образуется боковой занос автомобиля.
Теперь рассмотрим торможение автомобиля на повороте без скольжения колес, когда они вращаются с тормозным проскальзыванием s < sK.
При небольших углах увода (1…4) тормозная реакция RX почти не влияет на боковую реакцию RY (рис. 3.4). Автомобиль сохраняет устойчивость и остается управляемым.
При больших углах увода (более 6) действие тормозной реакции сопровождается заметным снижением боковой реакции (см. рис. 3.4). Радиус поворота автомобиля увеличивается. Управляемость автомобиля сохраняется, и водитель, поворачивая рулевое колесо, может удержать автомобиль в заданной полосе движения.
Рис. 3.4. Распределение реакций тормозящего колеса
при различных углах увода: шина 205/70R14 на покрытии
с высоким сцеплением
Рассмотрим экстренное торможение автомобиля на повороте, когда колеса вращаются с проскальзыванием s sK.
При достижении критического проскальзывания образуется максимальная тормозная реакция RX (см. рис. 3.4, кривые для углов 1 и 2). Боковая реакция RY снижается, но ее величина еще достаточна для обеспечения движения автомобиля на повороте. Автомобиль остается управляемым. Суммарная реакция R также ограничена эллипсом трения (на рис. 3.4 показана пунктиром). Размеры эллипса определены теперь коэффициентами сцепления X и Y. При расследовании ДТП обычно принимают X = Y.
Водитель не может выдержать торможение автомобиля с проскальзыванием колес равным sK. Чтобы предотвратить юз колес, применяются АБС. Система АБС поддерживает вращение колес с некоторым проскальзыванием s < 1. При увеличении проскальзывания s боковая реакция колеса быстро снижается (рис. 3.5). Однако, при любом значении s < 1 реакция RY больше ее значения при скольжении (см. значения RY на рис. 3.5 при s = 1). В контакте шины реализуются значительные боковые реакции, если s < 0,3.
Рис. 3.5. Зависимости боковой реакции колеса от тормозного
проскальзывания при различных углах увода на покрытии
с высоким сцеплением
При торможении с АБС, не смотря на увеличение радиуса поворота, автомобиль сохраняет устойчивость и остается управляемым.