Крен кузова автомобиля

В автомобильном мире давно сформировались некие представления относительно применения того или иного типа подвески: двухрычажная — для спортивных моделей, зависимая — для внедорожников, полузависимая — для компактных авто… Но чем обусловлены эти представления, да и верны ли они вообще?

В подвеске машины можно выделить три группы элементов: направляющие — рычаги, упругие — пружины и стабилизаторы и демпфирующие — амортизаторы. Две последние, то есть стабилизаторы, пружины и амортизаторы, являются краеугольным камнем в большинстве споров о ходовых качествах автомобилей. И это во многом справедливо, ведь перечисленные детали определяют столь ощутимые и важные параметры, как плавность хода, валкость и характер управляемости. Конструкция же подвески — геометрия рычагов — зачастую остается в тени, хотя по своей значимости и влиянию на поведение машины ничуть не уступает остальным факторам.

Итак, что же определяет конструкция подвески? Прежде всего она задает траекторию движения колеса в ходе сжатия и отбоя. В идеальном случае эта траектория должна быть такой, чтобы колесо всегда оставалось перпендикулярным дороге, дабы площадь контакта шины с покрытием была максимальна. Однако, как мы увидим дальше, добиться этого удается редко: обычно в процессе сжатия подвески у колес меняется развал, а в повороте они наклоняются в сторону вместе с кренящимся кузовом. И чем значительнее их отклонение от вертикали, тем меньше пятно контакта шин. Таким образом, устойчивость автомобиля, уровень его сцепления с дорогой — параметры, всецело определяемые конструкцией подвески.

Развал и схождение

Два главных параметра подвески — развал и схождение. Развал — это наклон плоскости колеса к перпендикуляру, восстановленному к плоскости дороги. Если верхняя часть колеса наклонена наружу автомобиля, то угол развала считается положительным, если внутрь — отрицательным. Схождение — угол между направлением движения и плоскостью вращения колеса. Измеряться может как в градусах, так и в миллиметрах. В последнем случае под схождением понимают разность расстояний между передними кромками дисков и задними.

Схожим образом геометрия рычагов влияет и на управляемость, только здесь сказывается уже нестабильность схождения колес. Последствия представить нетрудно — на неровностях машина начинает рыскать, а в повороте проявляется склонность к избыточной или недостаточной поворачиваемости. Впрочем, это явление можно использовать и во благо, компенсируя, например, склонность к сносу у переднеприводных моделей.

Непостоянной, как правило, оказывается и колея автомобиля — даже небольшой ход подвески может привести к ее изменению на пару сантиметров. Все это, разумеется, ведет к увеличению сопротивления движения, а в конечном счете — и к росту расхода топлива и ускоренному износу шин. Но куда опаснее тот факт, что при этом снижается устойчивость прямолинейного движения, ведь сцепные свойства шин «расходуются» не на удержание машины, а на сопротивление расходящимся в стороны колесам.

Против кренов

Наряду с центром поперечного крена конструкция подвески задает и центр продольного крена — точку, вокруг которой наклоняется кузов в момент торможения или разгона. И при определенном положении этой точки подвеска может препятствовать нарастанию кренов, отжимая или прижимая кузов в нужных местах. Однако такими возможностями обладают не все подвески. Наиболее эффективны в этом плане — подвеска на косых рычагах, на двойных рычагах и многорычажная. Они позволяют располагать центры крена именно там, где нужно. Возможности McPherson скромнее — диапазон ее регулировок уже. А вот подвеска на продольных рычагах в настройках не нуждается — центр продольного крена и так распложен в оптимальном месте. Зависимая же и полузависимая подвески с креном бороться не позволяют — центр крена у них находится в бесконечности.

Сказывается конструкция подвески и на плавности хода. Во-первых, величиной неподрессоренных масс, куда входит и масса всех рычагов (хотя и не полностью, так как они одним концом крепятся к кузову), а во-вторых, своим внутренним трением. Дело в том, что многие современные подвески, в особенности многорычажные, обладают способностью двигаться только за счет деформации резинометаллических шарниров, сайлент-блоков, используемых для крепления рычагов. Замени их на жесткие подшипники — и подвеска окаменеет, потеряет способность двигаться, поскольку каждый из рычагов вокруг своей точки крепления описывает окружность, а эти окружности пересекаются максимум в двух точках. Применяя же резинометаллические шарниры (причем с варьирующейся жесткостью по разным направлениям), можно достичь более сложной кинематики рычагов и обеспечить-таки ход подвески, правда, одновременно увеличив и трение. А чем оно выше, тем хуже фильтрация неровностей.

Но куда удивительнее влияние подвески на уровень кренов автомобиля. Заметьте, речь идет не о пружинах и амортизаторах, а именно о схеме расположения рычагов! Оказывается, их конструкция задает центр поперечного крена. Проще говоря, точку, вокруг которой кренится кузов. Обычно она находится ниже центра тяжести — точки приложения силы инерции, а потому в повороте машина наклоняется наружу. Однако, меняя расположение и наклон рычагов, центр крена можно повысить, уменьшив или даже полностью устранив наклон кузова. Если же эта точка окажется выше центра тяжести, то крен снова появится, но уже в обратную сторону — внутрь поворота, как у мотоцикла! Это в теории, а на практике попытки повысить центр крена сопровождаются рядом проблем вроде слишком сильного изменения колеи, а потому речь идет лишь о некотором уменьшении кренов, но и оно того, безусловно, стоит.

Таким образом, проектирование подвески — задача ответственная и трудная, а ее выполнение — всегда поиск компромисса. К каким решениям приводит этот поиск, мы рассмотрим в следующем номере.

Автор Издание Автопанорама №3 2016

Под креном автомобиля обычно имеют в виду наклон его относительно своей оси в какую-либо сторону. При этом такой наклон может быть не только вправо, но и влево. Крен автомобиля также может присутствовать как впереди, так и сзади, а также совмещаться в зависимости от нагрузки или проседания одного из колес.

Каким может быть крен автомобиля? Виды крена

Важно учитывать, что крен автомобиля может быть как постоянным, так и временным. Но в каждом из случаев следует осторожно относиться к этому явлению, ибо наличие даже небольшого отклонения от нормы существенно снижает уровень безопасной и комфортной езды и может стать причиной аварии на дороге.

Начнем с временного явления. Часто его можно наблюдать на грузовых автомобилях, когда произведена неравномерная загрузка кузова. В таких случаях вероятность того, что транспортное средство может опрокинуться, существенно возрастает. При этом возникнуть такие ситуации могут не только в процессе движения по неровным дорогам (особенно со стороны наклона), но и при выполнении маневров на поворотах (особенно в случае движения на большой скорости). Исправляется очень просто – достаточно правильно распределить груз по кузову – это снижает риски аварии, а также существенно уменьшает нагрузку на отдельные детали и узлы автомобиля.

Постоянный крен также может отличаться. Если, к примеру, автовладелец самостоятельно, сознательно поднимает заднюю часть автомобиля немного выше передней, тем самым усиливая устойчивость транспортного средства во время скоростных поворотов – это одно. В таком же ключе можно отметить и небольшой подъем передней части, благодаря чему повышается управляемость машиной даже в экстремальных ситуациях (как пример, можно обозначить движение по скользкой либо же неровной дороге).

Искусственный крен может также практиковаться, если за рулем легковой машины находится достаточно тучный человек. В этом случае, для поддержания баланса в процессе езды можно немного поднять водительскую часть.

Хуже если крен стал причиной длительной эксплуатации и износа, либо же некачественно выполненной работы по сборке и креплению одного из узлов колес или подвески. В этом случае существенно повышается износ деталей и узлов, находящихся в области наибольшей нагрузки (по сути, в самой нижней точке).

Важно понимать, что комфорт езды и безопасность в таких случаях остаются под вопросом (часто автомобиль с таким «недугом» просто начинает «вести» в сторону наклона машины, а на больших скоростях вероятность аварии увеличивается в разы).

Как бы это не случилось, сделали крен вы сознательно, либо же он возник из-за износа узлов, в одном можете быть уверенны, износ резины на колесах, расположенных в нижней части будет существенно выше. Поэтому практиковать отклонение транспортного средства от нормальной оси нужно с умом и желательно временно. Иначе «понты» в конечном итоге станут вполне реальными неприятностями в виде повреждённого автомобиля, либо же существенных затрат на замену отдельных его частей, которые преждевременно вышли из строя.

При прохождении автомобилем поворота возникает центробежная сила, которая стремится накренить автомобиль или, как крайний случай, — опрокинуть его. Соответствующие формулы для расчета этих сил даны в приложении. Величина крена зависит от величины центробежных сил и расстояния между точкой приложения центробежных сил (т. е. центра тяжести автомобиля) и метацентром автомобиля, т. е. от величины опрокидывающего момента автомобиля.

Автомобиль с упругой подвеской кренится относительно метацентра , положение которого зависит от способа соединения колес с подрессоренной массой автомобиля. На рисунке 1 показан способ определения положения метацентра для наиболее типичных схем установки колес.

Рис. 1. Определение метацентра при различных способах
крепления колес

На первом рисунке речь идет о короткой качающейся оси, центр качания которой обозначен S 1 . Координаты метацентра определяют следующим образом: точку контакта шины с землей соединяют с центром качания полуоси колеса; точка пересечения этой прямой с плоскостью симметрии автомобиля даст положение его метацентра S.

Аналогично поступают во втором случае, когда колесо подвешено на двух поперечных рычагах разной длины. Верхний рычаг поворачивается вокруг точки S 1 , а нижний — относительно точки S 2 . На продолжении осей этих рычагов в точке пересечения находится действительный мгновенный центр качания колеса S 3 . Соединив его с точкой контакта колеса с дорогой, находят метацентр S на высоте h 2 над землей в точке пересечения этой прямой с плоскостью симметрии автомобиля.

Мгновенный центр качания колеса при применении подвески Мак Ферсон находят следующим образом: проводят перпендикуляр к оси телескопического упругого элемента подвески в верхней точке его крепления и продляют ось нижнего рычага, качающегося относительно точки S 1 . Действительный мгновенный центр качания колеса находится на их пересечении, т. е. в точке S 2 ; положение метацентра S определяют уже описанным методом: он находится на высоте h 3 .

При повороте центробежная сила приложена в центре тяжести автомобиля и чем ближе по высоте центр тяжести расположен к метацентру, тем меньше по величине опрокидывающий момент. Пример укороченной качающейся полуоси автомобиля показан на рис. 2.

Расстояние от центра тяжести Т до метацентра S в данном случае равно t, величина опрокидывающего момента при этом равна Ot, где О — центробежная сила подрессоренной массы.

Этот момент должен восприниматься и гаситься , в которой возникает так называемый возвратный момент. Его величина в данном случае равна 2h»ca», где h» — сжатие упругого элемента подвески; с — жесткость элемента подвески.

Очевидно, что в данном случае крен автомобиля будет небольшим.

Если метацентр расположен низко, то и плечо t будут большими. Малая жесткость упругих элементов подвески также ведет к увеличению крена автомобиля.

Для снижения крена автомобиля, особенно если он имеет мягкую подвеску, на него устанавливают стабилизатор. Чаще всего применяют торсионные стабилизаторы (см. рис. 3).

Стабилизатор 1 также имеет торсион. Для регулировки нагруженности один из верхних рычагов 2 имеет регулируемую длину.

Это специальная торсионная пружина, установленная поперек автомобиля и соединенная рычагами с колесами. Если оба колеса одновременно наедут на препятствие, то стабилизатор повернется, но не скрутится. Если же на препятствие наедет одно колесо, стабилизатор, скручиваясь, стремится поднять и другое колесо. При прохождении автомобилем поворота упругий элемент подвески внутреннего (по отношению к повороту) колеса сжимается, стабилизатор стремится сжать упругий элемент подвески наружного колеса (к повороту), тем самым препятствуя чрезмерному крену автомобиля. Скручиваясь, стабилизатор сильнее сжимает наружный (к повороту) упругий элемент подвески, при этом внутренний (к повороту) разгружается.

Существует много различных способов стабилизации автомобиля. При применении гидравлической или пневматической подвесок можно установить простейший стабилизатор — поперечную листовую рессору, которая крепится в двух резиновых блоках, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Передний мост автомобиля Фиат с поперечной листовой рессорой, установленной в двух резиновых блоках и служащей стабилизатором

При подъеме одного колеса рессора прогнется, центр ее сместится вниз, а конец рессоры с другой стороны сместится вверх.

Автомобиль с задним расположением двигателя сзади имеет укороченные качающиеся полуоси, а передние колеса закреплены на двух поперечных рычагах. Согласно рис. 1 на первом рисунке высота метацентра h 1 велика, а у переднего моста на втором рисунке — мала h 2 . Если рассматривать автомобиль как жесткое целое, то его крен будет ограничиваться главным образом задним мостом, что проявляется повышенной нагрузкой на наружное заднее колесо. Поскольку стабилизатор в некоторой степени перераспределяет нагрузки на колеса, увеличивается и , и автомобиль приобретает некоторую избыточную поворачиваемость. Если стабилизатор установить на переднем мосту, то увеличится величина возвратного момента (Hм/°) и устойчивости автомобиля против крена. Тем самым увеличится его нагрузка и боковой увод, в результате чего избыточная поворачиваемость автомобиля может смениться на недостаточную поворачиваемость.

Для более точного расчета боковой устойчивости автомобиля необходимо учитывать и упругость кузова на скручивание. Оба моста соединены одной торсионной пружиной. Необходимо, чтобы кузов имел достаточную жесткость на скручивание и не работал как некоторый упругий незаглушенный элемент, влияющий на управление автомобилем. Жесткость кузова на кручение выражают моментом Нм, который вызывает относительный поворот на 1° двух плоскостей кузова, удаленных друг от друга на 1 м. Жесткости кузова некоторых автомобилей приведены в таблице 7.

Таблица 7. Жесткость кузова легковых автомобилей

Автомобиль Симка 1000 из таблицы 7

&nbspНовый способ борьбы с креном
Деньги на машину уже потрачены, и вы наконец-то перешли в стадию активного автомобилизма — начали ездить. Помимо ощущения комфорта, которое хороший автомобиль вам подарит сразу, через какое-то время он даст вам более важное чувство — чувство безопасности. Надежности. Уверенности. А из чего оно складывается? Вы знаете, что есть антиблокировочная система тормозов, и машину уже не занесет при резком торможении. Есть антипробуксовочная система — она позволит без проблем тронуться на любом покрытии. Есть удобная и простая автоматическая трансмиссия, а руль легко поворачивается, потому что снабжен гидроусилителем. Затем в списке стоят другие достижения прогресса: четыре управляемые колеса (это делает Honda) и полный привод (первой на серийном легковом автомобиле его установила Audi). Добавьте гидропневматическую подвеску, как у Citroen. И еще, пожалуй, кондиционер и подогрев сидений — все это вполне достижимая мечта обычного автомобилиста.
До недавнего времени оставалось непреодоленным, пожалуй, только одно неудобство: поперечный крен автомобиля, возникающий на поворотах. Ощущение, которое при этом возникает у пассажиров, недвусмысленно — кренящийся автомобиль ненадежен. Действительно, поведение машины в таком случае малопредсказуемо и управлять ею трудно.

Что происходит с автомобилем в повороте? При движении по кривой, как известно, возникает центробежная сила. Она стремится вытолкнуть автомобиль из поворота, чему препятствует только реакция в месте контакта колес с дорогой (в случаях, когда центробежная сила превышает силу сцепления шин с покрытием, автомобиль срывается в занос).
Колеса автомобиля, поднимаясь и опускаясь на неровностях дороги, совершают довольно сложные вертикальные и боковые эволюции. Если рассмотреть перемещения точки, которая находится в центре пятна контакта колеса с дорогой, то в подвеске можно отыскать некий центр, относительно которого эти перемещения происходят по дуге окружности. Его называют центром крена подвески. Прямую, соединяющую центры крена передней и задней подвески, называют осью крена автомобиля.
Возникающая в повороте центробежная сила действует в боковом направлении на центр тяжести, или, что более правильно, центр масс кузова автомобиля. Он находится примерно в полуметре над землей, но всегда выше оси крена. Приложенная к центру масс боковая сила создает относительно этой оси опрокидывающий момент, который и накреняет кузов в повороте или раскачивает его из стороны в сторону при прохождении серии поворотов.
Центробежная сила не только накреняет автомобиль. Она действует и на пассажиров, бросая их в из стороны в сторону и заставляя хвататься за ручки в поисках опоры. Водителю, казалось бы, проще: точка опоры — руль — у него всегда под руками. Однако он может инстинктивно повиснуть на нем и непроизвольно изменить траекторию движения автомобиля.
Крен кузова возникает не только в повороте. К нему приводит и несогласованное перемещение колес на одной оси, например, если одно из них попадет в ямку или на бугорок. Подвеска не успевает сработать, и одну сторону автомобиля слегка подбрасывает. Если дорога очень неровная, колеса пляшут каждое само по себе (явление, получившее название «шимми» — от shimmy, был когда-то такой танец). Кузов машины раскачивается из стороны в сторону, и понятно, что траектория ее движения стабильностью не отличается.
Один из основных способов уменьшения крена — снабжение подвески стабилизатором поперечной устойчивости. Как правило, он представляет собой закрепленный на кузове изогнутый пруток сложной формы, который соединяет между собой противоположные рычаги подвески. Пруток-стабилизатор не мешает колесам подниматься и опускаться вместе, но как только одно из них попадает, например, на бугорок и начинает подниматься отдельно от другого, он скручивается (отсюда название прутка — торсион) и препятствует подъему колеса, который привел бы к раскачиванию кузова.
Установка такого стабилизатора хотя и придает автомобилю устойчивость к качке, но имеет свои недостатки. Соединение рычагов подвески друг с другом делает ее не столь независимой, как следует из названия. Поскольку пруток является упругим элементом, он колеблется с собственной частотой, что нарушает работу подвески. А в очень крутых поворотах такой стабилизатор даже вреден — он дополнительно переносит нагрузку с внутреннего колеса на внешнее — внешнюю шину буквально размазывает по дороге, в то время как внутренняя вот-вот от нее оторвется.
А может ли автомобиль вообще не накреняться при поворотах? Теоретически — да. Например, если опустить центр масс кузова до оси крена, как у машин Formula 1, которые в поворотах не кренятся. Но для обычных легковых автомобилей этот метод по очевидным причинам не годится.

В прошлом году Citroen предложил довольно изящное техническое решение задачи стабилизации поперечного крена кузова. В основе метода — уникальные свойства гидропневматической подвески, которая впервые была применена на экспериментальном Citroen DS еще в 1955 году, с тех пор значительно усовершенствована и сейчас широко используется в автомобилях этой фирмы.
Упругим элементом в гидропневматической подвеске Citroen («Автопилот «#3), как известно, является газ, которым заполнены небольшие сферы. Нагрузка на газ через мембрану передается находящейся в гидравлической системе жидкости.
В ранних вариантах конструкции, где была только одна сфера на каждое колесо, изменением количества жидкости в системе удавалось регулировать только клиренс и положение кузова автомобиля в зависимости от нагрузки. Затем (в подвеске Hydractive) установили дополнительные сферы, а управление доверили компьютеру — появилась возможность изменять жесткость подвески. Следующий вариант — подвеска Hydractive II с измененным алгоритмом управления.
Эта подвеска, оснащенная довольно сложной системой датчиков и компьютером, отслеживает факторы (поперечный ветер, ухабы, ямы), которые стремятся отклонить автомобиль от движения по прямой. Учитывается также скорость автомобиля, положение педали газа, угол поворота руля и боковое ускорение. При неблагоприятном сочетании контролируемых параметров компьютер отключает дополнительную сферу от общего контура, увеличивая жесткость подвески. Естественно, чем жестче подвеска, тем меньше она восприимчива к крену, поэтому автомобиль с подвеской Hydractive или Hydractive II, например Xantia VSX, устойчив к поперечным наклонам кузова гораздо сильнее, чем автомобиль любой другой марки.
Hydractive II работает хорошо, спору нет. Но с точки зрения стабилизации поперечной устойчивости эта подвеска, несмотря на свое название, ведет себя как пассивная — она лишь реагирует на уже возникшее боковое ускорение автомобиля. Естественно, с некоторой задержкой.
Специалистов Citroen это не устраивало. Кроме того, грех было не использовать потенциал самой идеи гидропневматической подвески. И появилась система активной стабилизации поперечной устойчивости автомобиля, получившая некрасивое название SC.CAR. С осени прошлого года она устанавливается на серийные Citroen Xantia Activa.
Справедливости ради стоит отметить, что попытки создания активной системы стабилизации делались и раньше — впервые такая система была опробована на том же экспериментальном Citroen DS. Но тогда не было компьютеров.
В Citroen Xantia Activa используются, с небольшими добавлениями, те же элементы подвески, что и в предыдущих вариантах. Но работает система по-другому. Первое отличие состоит в том, что управляющая подвеской электроника не ждет, пока появится боковое ускорение, свидетельствующее о том, что автомобиль уже вошел в поворот. В Activa величина бокового ускорения прогнозируется еще до поворота, на основании измерений скорости автомобиля, угла и скорости поворота рулевого колеса — это увеличивает быстродействие системы.
Автомобиль, как обычно, оснащен двумя — передним и задним — торсионными стабилизаторами поперечной устойчивости. Но только один конец каждого из них жестко прикреплен к своей стойке подвески. Другой соединен с противоположной стойкой посредством небольшого гидроцилиндра. Гидроцилиндры расположены по диагонали, один на левой передней стойке, второй — на правой задней.
Пока дополнительная центральная сфера подключена к общему контуру и подвеска находится в «мягком» состоянии, активная система стабилизации не работает — гидроцилиндры снижают жесткость торсиона и выполняют только демпфирующие функции, гася его собственные колебания.
Если сочетание измеряемых параметров указывает на то, что автомобиль начал поворот, компьютер отключает дополнительную центральную сферу. При этом, как и в обычной Hydractive II, жесткость подвески увеличивается. И включается активная система поперечной стабилизации — вместе с жесткостью подвески увеличивается жесткость гидроцилиндров и, соответственно, торсиона, который начинает препятствовать крену кузова.
Если крен все же возникает, срабатывает измеряющий его датчик и в гидроцилиндры подается дополнительное количество жидкости — это превращает их в своего рода домкраты, принудительно выравнивающие кузов. Датчик крена срабатывает, когда угол наклона кузова превышает 1/2° — величину столь ничтожную, что она не ощущается ни глазом, ни желудком.
Результат — Citroen Xantia Activa не кренится даже при крутых поворотах, колеса сохраняют перпендикулярное положение к дороге, и поведение автомобиля полностью прогнозируемо. Наверное, преждевременно появившееся выражение «в поворот, как по рельсам» должно относиться на самом деле именно к этому автомобилю.

Способы предотвращения опрокидывания автомобиля на бездорожье

«Уши», «кувырок», «сальто-мортале», «оверкиль»… Сколько же все-таки названий у такого простого и, к сожалению, частого на бездорожье явления, как опрокидывание. И чем серьезнее подготовка машины, тем больше шансов у пилота заслужить звание «Карлсона, который лежал на крыше». Народные методы борьбы с опрокидыванием общеизвестны. Но эффективны ли они (а если эффективны, то насколько)? В общем, вы уже поняли, что мы решили попробовать в меру своих возможностей разобраться с этим вопросом. Как говорится, во благо процветания джиперства, ну и из непомерно развитого природного любопытства, конечно.

В качестве «падающего кролика» к нашему необычному тесту была привлечена экспедиционная Toyota Land Cruiser 105 с двигателем 1KZ. Выбор обусловлен тем, что этот автомобиль при всей свой парадно-глянцевой внешности в свое время подвергся достаточно серьезной внедорожной подготовке, и соответственно, его центр масс «ускакал» далеко вверх. А виной тому колеса диаметром 35 дюймов, 3дюймовый лифт, да еще и 7 сантиметров боди-лифта. В итоге же получился вариант типичного автомобиля, используемого любителями коротких и длинных путешествий по местам, не покрытым асфальтом. Кто сказал: «А как же Land Rover »? Нет, давайте договоримся: сегодня мы не устраиваем спор, кто более валкий и экспедиционный, а говорим лишь о способах предотвращения опрокидывания. В общем, вводные следующие: есть лифтованная TLC105 (но, повторюсь, в данном случае марка и модель непринципиальны), есть платформа для переворота автомобиля, есть море энтузиазма и пара веревок. А значит, можно начинать!

Методика экзотических наблюдений

В качестве отправной точки мы опрокинули автомобиль в его, так сказать, нетронутом виде. То есть в салоне и грузовом отделении пусто, и сверху на экспедиционном багажнике тоже ничего не лежит. Это у нас будет что-то вроде «печки», от которой предстоит «плясать» в попытке сделать некие логические выводы. Вообще-то нужно сказать, что все тесты на опрокидывание выглядят примерно одинаково. Сначала машина выставляется на платформу с упором колес одного борта в специальный ограничительный рельс, затем на кузове закрепляются ремни ограничителей. Потом, подчиняясь нажатию красной кнопки, мощная гидравлическая система начинает наклонять платформу. В этот момент мы просто ждем, наслаждаясь зрелищем. Но, надо сказать, что и наслаждаться-то поначалу особенно нечем: машина просто крепко стоит колесами на покрытии. Но при достижении углов примерно градусов в 25–30 начинают происходить интересные вещи. Сначала кузов нехотя кренится (отрабатываются хода подвески).

Затем, если это внедорожник с зависимой подвеской и тяжелым двигателем, обычно начинает отрываться от платформы переднее колесо. Это так называемый «первый звонок», свидетельствующий… нет, не о начале опрокидывания, а всего лишь о том, что ход отбоя передней подвески закончился. Но тем не менее наступает момент крайнего напряжения. Сколько раз это видел, а все равно не могу привыкнуть. И вот автомобиль окончательно оторвал колеса от поверхности платформы, резко качнулся в сторону крена и беспомощно повис на ремнях. Это и есть точка опрокидывания. Наступает время замеров и записей. И на этот раз мы записали следующие цифры: 42°13’ – крен платформы и 48°35’ – крен кузова. То есть относительный крен кузова составил 6°22’.

Да. Показатели, мягко говоря, не из разряда рекордных. Нет, для лифтованного автомобиля это вроде и нормально, но совершенно неприемлемо, например, для скоростных маневров на твердом покрытии. Кстати, опрокинув автомобиль на другую сторону (памятуя о тяге Панара, дающей несимметричность работы подвески), мы получили немного другие результаты: на левый борт пустая машина упала уже при угле 41°19’, а крен составил 6°45’. Все дальнейшие опыты мы будем ставить с наклоном на правую, пассажирскую, сторону, но запомните, что влево все «леворульные» автомобили с подобным типом подвески в статике переворачиваются примерно на один градус раньше. Кстати, в динамике разница будет еще заметнее.

Смелые «Васи»

Следующим этапом наших экспериментов стала имитация реальной загрузки автомобиля в условиях экспедиции или трофи-рейда. Сначала попробуем максимум. Мы предположили, что это четыре человека, примерно 100 кг в грузовом отсеке и еще примерно 100 кг на верхнем багажнике. «Килограммами» работали мерные мешочки с песком (по 25 кг каждый). На кресла «усадили» четыре наполненные водой массогабаритных манекена с исконно русскими именами Василий. Человек тоже почти на 90 процентов из воды, так что они нам почти как братья. Поэтому вообразить себя манекеном не составило автору труда. Итак, читайте фантазию на тему «А что, если бы мы сидели внутри»… Под звуки воображаемых маршей задний ряд был «заполнен» двумя добровольцами, один из которых сейчас пишет эти строки. Ну что, приступим?

Ох, ну и ощущения…Ведь известно, что внутри автомобиля крены воспринимаются гораздо сильнее, чем на самом деле следовало бы. Вестибулярный аппарат такой перестраховщик, и не говорите. Вот, помню, стартовал я как-то в триале. Так, стоп, какой сейчас угол? Как всего 30 градусов. Я уже в машине еле удерживаюсь, а она все стоит! А сверху оценивающе поглядывает. Андрей Куприн (не знаю зачем, но мне захотелось включить в мою историю и этот персонаж). Ну так вот, Андрей сел слева и, похоже, вполне осознанно собирался на меня падать. Машина все стоит, да и он держится…

Ну вот, наконец-то… 36°31’, и колеса оторвались от пола. А крен кузова в момент отрыва больше 10 градусов! Вот это показатели… Если бы мы действительно сидели внутри, то вряд ли смогли быудержаться. Но «упала» машина крайне рано, при этом еще и выбрав весь ход подвески .

Хорошо, теперь пробуем без «пластиковых людей», сидящих сзади, но с «экипажем» двух «Василиев» на водительском и штурманском местах. Да, и, естественно, с грузом. Угол опрокидывания сразу скакнул до отметки 39°08’ при крене 7°03’. То есть при стандартной загрузке «2 человека плюс груз» мы имеем снижение устойчивости на 3 градуса. Немало. Но за точку отсчета для всех дальнейших мучений мы возьмем именно эту величину как наиболее близкую к реальности.

Народные приметы

Признаюсь, несмотря на то, что я человек мира материального, в некоторые приметы все-таки верю. Есть грешок. Тем более что молва твердит об их исключительной, практически стопроцентной «сбываемости». Собственно, о чем это я? Ах да, о народных методах борьбы с переворотом. Первый метод таков: если вы не хотите перевернуться, снизьте давление в шинах верхнего по ходу склона борта. Машина выровняется, и шансы на оверкиль уменьшатся до микроскопических. Проверим? Toyota шипит воздухом сквозь вывернутые золотники и готовится продемонстрировать чудеса устойчивости. В левых колесах давление 0,6 атм, и крен кузова на плоской поверхности составляет почти 4 градуса.

Жмем кнопку, и платформа медленно толкает автомобиль к непоправимому. И тут мы наблюдаем интересную картину. После отработки ходов подвески колеса начинают. «надуваться». То есть нагрузка на борт меняется, и спущенные шины уже ни на что не влияют! И действительно, полную потерю устойчивости мы зафиксировали на отметке 38° 35’. Картина получилась следующая: со спущенными колесами машина упала раньше, чем с накачанными, более чем на полградуса. Пусть ненамного, но раньше! То есть речь об улучшении устойчивости в данном случае просто не идет. Так, один «верный» способ вычеркиваем…

Следующий способ. Штурман, висящий на подножке (джиперы это у яхтсменов подсмотрели). Говорят, что метод достаточно эффективен. Но мы, согласно законам жанра, сомневаемся. И сомневаться мы будем, пока компрессор «забивает шоссейное давление» в шины подопытного Land Cruiser. Ну а когда он закончит. В общем, стою я на неумолимо едущей вверх подножке и тоскую. Шутки и прибаутки про тяжелую долю обозревателя ORD пролетают мимо, не отскакивая…Платформа с характерным гулом вращается, машина подо мной уходит вниз, и мир переворачивается с ног на голову. Нет, господа, честное слово, подобную неестественную позу я принял только ради чистоты эксперимента, с целью откренить машину по максимуму.

И, знаете, все эти мучения оказались не зря: работа с живым противовесом дала эффект! В результате угол вырос до 40° 14’! Немного опускаем платформу, и на силовой порог запрыгивает еще один участник теста. Теперь нас уже двое, но эта мера увеличивает угол всего до 40° 54’, то есть меньше чем на градус. Из чего делаем вывод: возить двух штурманов для балласта – расточительство. Но в любом случае нужно признать, что метод работает. Ибо вернуть автомобилю полтора градуса устойчивости на критических углах – это, мягко говоря, много. Резюмируем: эффективность «откренивания человеком» достаточно высока.

Теперь окинем взглядом заокеанские просторы, где неугомонные споттеры карабкаются по камням, периодически удерживая автомобили от переворота мускульной, так сказать, силой. Более того, зачастую им это удается… Итак, нам нужен толстый канат и динамометр. Привязываем нашу «веревочку» к экспедиционному багажнику, крепим к ней динамометр и. В общем, стою я, держа в руках трос, и жду момента, когда мне нужно будет проявить чудеса богатырской силы. И ведь проявил! При усилии, равном 50 кг, я «спас» целых 1° 34’ устойчивого состояния, а когда поднатужился и «взял вес» в 100 кг, получилось целых 3° 40’. Ну разве я не молодец? Признаться, взять 100 кг мне помогли (мы тянули уже вдвоем), но итог-то в любом случае положительный. Вывод: методу подтягивания машины тросом – жить! По крайней мере из испробованных он самый эффективный.

Фактически из народных средств лечения остался только «варварский» способ. Речь идет об искусственном ограничении хода подвески с верхней стороны склона. Сказано – сделано. И вот я уже ныряю под машину и банальными стяжными стропами с «трещоткой» сжимаю пружины. Но поскольку после упражнений с канатом сил у меня осталось не то чтобы много, удается добиться угла крена «в сторону склона» всего в 2 градуса. Впрочем, для эксперимента этого вполне достаточно… Ворчание гидравлических приводов стенда на этот раз радовало нас довольно долго, но разница была совершенно незаметна на глаз. Но не все еще потеряно. Делаем замеры. Нет, чуда, конечно, не случилось, но этим простым действием мы добились того же результата, что и с двумя «живыми противовесами»! В записной книжке появились цифры: 40°49’ при крене кузова 4°46’. Очень хороший результат. Конечно, не как в варианте «с веревкой», но тоже вполне приемлемо. А что, три метода из четырех – это весьма хороший результат. Я бы даже сказал, положительный.

Все во имя одной цели

А теперь внимание: вместо выводов и размазывания мысли в псевдонаучных выражениях мы решили поступить проще. Что получится, если применить все методы борьбы с опрокидыванием, давшие положительный результат, единым фронтом? На недоуменное «это как?» отвечаю: пункт первый – полная разгрузка автомобиля, включая демонтаж запасного колеса, пункт второй – трое на подножках, пункт третий – один человек с веревкой, готовый выдать тарированные 50 кг усилия. И знаете, несмотря на смех и шутки, сыпавшиеся в процессе отчаливания платформы от горизонтальной «пристани», мы держались, что называется, до последнего. Держались, как видно, не напрасно: результат – 52 градуса. При таких углах маленькие кроссоверы переворачиваются, а тут рамный лифтованный внедорожник!

То есть мы смогли добавить целых 13 градусов к предельному углу устойчивого положения автомобиля, оборудованного полным арсеналом средств, для… ухудшения этого параметра. Так что работают народные методы, да еще как работают! Только колеса спускать не вздумайте.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Динамика поперечного перемещения автомобиля

На страницах этого справочник мы уже неоднократно упоминали о динамике поперечного перемещения автомобиля. От того, как автомобиль может сопротивляться поперечному перемещению, во многом зависит его поведение на дороге. В этой статье мы подробно поговорим, что представляет собой динамика поперечного перемещения автомобиля.

Диапазоны бокового ускорения

На современных легковых автомобилях бо­ковое ускорение может достигать 10 м/с 2 . Величина бокового ускорения разделяется на следующие диапазоны (рис. «Диапазоны бокового ускорения» ):

Диапазон от 0 до 0,5 м/с 2 известен под на­званием диапазона малого сигнала. В этом диапазоне явление возникает при прямоли­нейном движении под действием таких воз­мущений, как неровности дороги и боковой ветер. Ветровые возмущения возникают вследствие порывов ветра и при въезде в за­крытые от ветра зоны и выезде из них.

Диапазон от 0,5 до 4 м/с 2 известен под на­званием линейного диапазона, поскольку по­ведение автомобиля в этом диапазоне может быть описано при помощи линейной, одноколейной модели. К типичным маневрам, свя­занным с динамикой поперечного движения, относятся резкое манипулирование рулем, пе­рестроения из ряда в ряд, а также комбинации маневров, связанных с изменением динамики как продольного, так и поперечного движения, например, вследствие реакций на изменения нагрузки при прохождении поворотов.

В диапазоне бокового ускорения от 4 до 6 м/с 2 , в зависимости от конструктивных особенно­стей автомобиля, его поведение в отношении бокового ускорения может оставаться линей­ным или становиться нелинейным. Поэтому этот диапазон рассматривается как переход­ной. В этом диапазоне автомобили с макси­мальным боковым ускорением от 6 до 7 м/с 2 (например, внедорожные автомобили) уже демонстрируют нелинейные характеристики, в то время как автомобили, достигающие более высоких уровней бокового ускорения (напри­мер, спортивные автомобили) продолжают показывать линейные характеристики.

Боковое ускорение свыше 6 м/с 2 достигается только в экстремальных ситуациях, поэтому рассматривается как предельный диапазон. В этом диапазоне характеристики автомобиля в основном нелинейные и оказывают влияние на устойчивость автомобиля. Этот диапазон достигается на спортивных трассах или в си­туациях, в условиях обычного дорожного дви­жения приводящих к авариям.

Для среднего водителя боковое ускорение обычно составляет до 4 м/с 2 . Это означает, что при субъективной оценке ситуации водитель управляет автомобилем таким образом, что бо­ковое ускорение находится в диапазоне малого сигнала или в границах линейного диапазона (рис. Диапазоны бокового ускорения). Для среднего водителя вероятность возникновения бокового ускорения экспонен­циально снижается с падением скорости.

Одноколейная линейная модель

Из одноколейной линейной модели могут быть получены важные выводы, касающиеся дина­мических характеристик поперечного движе­ния. В одноколейной линейной модели динами­ческие свойства одной оси и ее колес сведены в одно эффективное колесо. В простейшем ва­рианте, как показано здесь, рассматриваемые характеристики находятся в линейном диапа­зоне, что объясняет, почему модель этого типа называется одноколейной линейной моделью. Наиболее важными модельными предположе­ниями являются следующие:

• Кинематика и эластокинематика оси моде­лируются только линейно;
• Поперечная сила, действующая на шину, возрастает линейно, а стабилизирующий крутящий момент игнорируется;
• Предполагается, что центр тяжести автомо­биля находится на уровне дороги. Следова­тельно, единственной вращательной степе­нью свободы автомобиля является движение рыскания. Крен, продольная качка и под­скоки на неровностях не учитываются.

Способность автомобиля к восстановлению прямолинейного движения

На рис. «Одноколейная модель заноса в установившемся состоянии» представлена однолинейная модель для условий быстрого и медленного заноса. Результатом этого представления являются следующие соотношения, описывающие ки­нематику углов скольжения:

Вместе с балансом моментов можно вычислить изменение угла поворота рулевого колеса, свя­занное с увеличением бокового ускорения, в условиях маневра с заносом при постоянном радиусе. Это дает определение градиента самовыравнивания управляемых колес EG:

Конструкция всех легковых автомобилей в линейном диапазоне бокового ускорения предусматривает недостаточную поворачиваемость. Значение EG для легковых авто­мобилей составляет около 0,25 градус⋅с 2 /м.

В отношении динамики бокового движения градиент самовыравнивания управляемых колес характеризует устойчивость и демпфирование автомобиля. Кроме того, значение градиента самовыравнивания для среднего водителя стано­вится очевидным, поскольку угол поворота колес увеличивается с ростом скорости прохождения поворота. Это привлекает внимание водителя к возрастающему боковому ускорению.

Градиент угла дрейфа (SG) можно вычислить, воспользовавшись схемой, представленной на рис. «Одноколейная модель заноса в установившемся состоянии». В целях повышения устойчивости авто­мобиля градиент угла дрейфа должен быть как можно меньше.

SG = dβ/da_y = ml_v/C_hl

Коэффициент усиления рыскания

Коэффициент усиления рыскания опреде­ляет степень рыскания автомобиля в ответ на изменение угла поворота рулевого колеса в квазиустойчивом состоянии. Коэффициент усиления рыскания можно определить, вы­полнив следующее испытание: при движении с постоянной скоростью рулевое колесо по­ворачивается из стороны в сторону с частотой менее 0,2 Гц. Амплитуда угла поворота рулевого колеса выбирается таким образом, чтобы мак­симальное боковое ускорение составило около 3 м/с 2 . Начиная со скорости 20 км/ч, маневр повто­ряется с увеличением скорости каждый раз на 10 км/ч. При условии отсутствия аэродинамических воздействий на высоких скоростях (подъемных сил, воздействующих на переднюю и заднюю оси), результаты испытания дают кривые коэф­фициента усиления рыскания, в основном согла­сующиеся со следующим уравнением, выведен­ным из одноколейной линейной модели:

На рис. «Зависимость коэффициента усиления рыскания от скорости» показан коэффициент усиления ры­скания для автомобиля, имеющего тенденцию к избыточной поворачиваемости (EG 0). При высоких скоростях движения приемлемой является только недостаточная поворачиваемость, обеспечивающая тре­буемую динамику автомобиля даже во время движения по прямой. Скорость, при которой автомобиль, имеющий тенденцию к недо­статочной поворачиваемости, демонстрирует максимальную реакцию рыскания, известна как характеристическая скорость v_char. В ли­нейной одноколейной модели эта скорость выражается как:

Коэффициент демпфирования

Из линейной одноколейной модели выведено следующее уравнение равновесия сил:

Для баланса моментов:

Коэффициент демпфирования D возмущения в отношении динамики поперечного движения может быть выведен из двух следующих уравнений:

Недемпфированная собственная частота вы­ражается следующим уравнением:

Коэффициент демпфирования автомобиля может быть определен, например, из реакции рыскания на резкий поворот рулевого колеса или иное ступенчатое входное воздействие. При разработке конструкции автомобиля раз­работчики стремятся получить как можно бо­лее высокий коэффициент демпфирования.

На рис. «Коэффициент демпфирования и коэффициент рыскания» показаны коэффициенты демп­фирования и усиления рыскания для различ­ных градиентов самовыравнивания. При этом имеет место следующий конфликт целей:

• если автомобиль должен обладать хоро­шими характеристиками прямолинейного движения, требуется высокое значение градиента самовыравнивания;
• для обеспечения высокого коэффициента демпфирования, особенно на высоких ско­ростях, градиент самовыравнивания дол­жен быть как можно более низким.

Диаграмма боковой подвижности автомобиля

Еще одной важной переменной, определяю­щей сбалансированность автомобиля, явля­ется общее передаточное отношение рулевого механизма i_l. Угол поворота рулевого колеса i_l вычисляется, исходя из угла поворота оси, как:

Это дает следующее уравнение для макси­мального коэффициента усиления рыскания:

Этот максимум построен на диаграмме бо­ковой подвижности (рис.»Диаграмма боковой подвижности» ) в функции пере­даточного отношения рулевого механизма. Дополнительно на диаграмме показаны изо­линии EG. Вдоль этих кривых градиент само­выравнивания постоянен. На этой диаграмме могут быть построены желаемые диапазоны коэффициента усиления рыскания и пере­даточного отношения рулевого механизма с Целью определения необходимых градиентов самовыравнивания.

Если в автомобиле изменяется только пе­редаточное отношение рулевого механизма, максимальный коэффициент усиления ры­скания можно определить при помощи диа­граммы боковой подвижности, сдвигая базо­вую линию вдоль изолиний EG. Если имеет место изменение характеристик оси, сдвиг осуществляется вдоль вертикальной оси.

Динамика поперечного движения автомобиля

Ветер может вызывать динамические эффекты в боковом направлении. Реакция автомобиля на эти внешние воздействия проявляется в виде отклонения от желаемой траектории дви­жения, бокового ускорения и изменения углов рыскания и крена. Чтобы противодействовать этим изменениям, водитель пытается вы­полнить корректирующие действия. Следова­тельно, необходимо учитывать скорость реак­ции водителя, а также способность автомобиля к коррекции. Согласно результатам исследова­ния, непосредственная реакция автомобиля на боковой ветер является основной переменной величиной для субъективной оценки общей устойчивости автомобиль под действием бо­кового ветра. Это дает преимущество, заклю­чающееся в том, что реакцию автомобиля на боковой ветер можно эффективно оценить посредством анализа.

Характеристически средний водитель вос­принимает два состояния, вызываемые возмущениями в виде бокового ветра:

• Естественный ветер, направление и ско­рость которого могут изменяться во время движения;
• Въезд и выезд из областей «ветровой тени», когда на автомобиль могут воздействовать силы, значительно изменяющиеся по величине.

В автомобилестроении стремятся свести к минимуму эффекты возмущений, вызываемых ветровыми нагрузками, учитывая следующие факторы:

• «Жесткость в повороте» шин, т.е. степень изменения поперечной силы при увеличении угла увода. При этом считается, что нагрузка на колесо остается постоянной;
• Общая масса автомобиля;
• Положение центра тяжести автомобиля;
• Характеристики оси;
• Симметричность и упругость подвески;
• Демпфирование;
• Кинематика и эластокинематика осей;
• Аэродинамическая форма и площадь лобовой поверхности автомобиля.

Аэродинамические силы и моменты

Когда автомобиль движется со скоростью v при ветре, имеющем скорость v_w, на него воздействует ветер с результирующей скоростью v_r. При наличии бокового ветра угол воздействия τ в общем случае отличен от 0 градусов, что приводит к возникновению поперечной силы F_s и момента рыскания М_z, воздействующих на автомобиль.

В аэродинамике стандартной практикой является указание вместо сил и моментов безразмерных коэффициентов. Отсюда:

Момент М_z и поперечная сила Fs, определенные в средней точке колесной базы, могут быть представлены единой поперечной силой F_s, когда точка приложения воздействия совпадает с точкой приложения давления D (рис. «Автомобиль под действием бокового ветра» ). Расстояние d между аэродинамической опорной точкой В и точкой приложения давления D вычисляется следующим образом:

Чтобы в максимальной степени уменьшить влияние аэродинамических эффектов, следует принять меры к тому, чтобы точка приложения давления D находилась как можно ближе к центру тяжести автомобиля. Это существенно снизит эффективное влияние момента.

На рис. «Коэффициент поперечной силы и точка приложения давления» представлены аэродинамические коэффициенты для двух наиболее типичных кузовов автомобиля, универсала и седана, в функции угла воздействия τ. Результирующее расстояние d для универсалов значительно меньше, чем для седанов (см. рис. «Автомобиль под действием бокового ветра» ). Для автомобилей с центром тяжести, расположенным посередине колесной базы, конструкция универсала, следовательно, менее чувствительна к боковому ветру, чем у седана.

Поведение в повороте

Центробежная сила, действующая в повороте (рис. «Действие центробежной силы в повороте» ):

Боковой крен кузова в повороте

При движении в повороте центробежная сила, приложенная в центре тяжести автомобиля, наклоняет кузов. Величина крена зависит от упругих характеристик подвески и ее воспри­имчивости к деформации, а также от плеча действия центробежной силы (расстояние между осью крена и центром тяжести авто­мобиля). Ось крена является одновременно мгновенной осью вращения кузова относи­тельно поверхности дороги. Подобно всем жестким телам, кузов автомобиля подверга­ется совместному воздействию на него скру­чивающих и поворачивающих усилий, усу­губляющих крен; это движение дополняется боковым смещением вдоль мгновенной оси.

Чем ближе расположена ось крена к центру тяжести автомобиля, тем выше его попереч­ная устойчивость и меньше крен при движе­нии в повороте. Однако обычно это вызывает соответствующее перемещение вверх колес, что приводит к изменению колеи и оказывает негативное влияние на безопасность дви­жения. Поэтому следует стремиться к тому, чтобы высокое расположение мгновенного центра крена сочеталось с минимальными изменениями колеи автомобиля. Таким об­разом, целью конструкторов является рас­положение мгновенных осей наклонов колес как можно выше относительно кузова и одно­временно как можно дальше от него.

Таблица «Критические скорости при прохождении поворотов»

Часто для нахождения (приблизительного) оси крена определяются центры вращения (цен­тры крена) так называемого эквивалентного кузова. При этом рассматривают перемещение кузова в двух вертикальных относительно до­роги плоскостях, проходящих через переднюю и заднюю оси автомобиля. Центры крена — это те гипотетические точки на кузове, которые остаются неподвижными при крене. Ось крена, в свою очередь, представляет собой линию, соединяющую эти точки. Графическое пред­ставление центров крена базируется на правиле, согласно которому мгновенные центры враще­ния трех систем в состоянии относительного движения лежат на одной линии.

Сложность операций, требующихся для более точного определения пространствен­ных соотношений, описывающих движение колеса, делает целесообразным использова­ние трехмерной модели.

Источник Источник Источник https://koreada.ru/puteshestviya/mashina-krenitsya-chto-takoe-kren-avtomobilya-vse-vo-imya-odnoi-celi/
Источник Источник https://press.ocenin.ru/dinamika-poperechnogo-peremescheniya-av/