Что такое управляемость автомобиля
Управляемость автомобиля
Управляемость автомобиля — это его способность легко изменять направление движения при повороте рулевого колеса и удерживать заданное направление движения.
Во время движения автомобиля очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес при движении прямо.
Углы установки управляемых колес
Во время движения автомобиля очень важно, чтобы управляемые колеса не поворачивались произвольно и водителю не нужно было бы затрачивать усилия для удержания колес при движении прямо. Для улучшения устойчивости автомобиля при его движении и облегчения управляемости конструктивно предусматриваются углы установки управляемых колес.
Рис. Углы установки управляемых колес:
γ – угол продольного наклона оси; α – угол развала; β – угол поперечного наклона оси; θв – внутренний угол поворота; θн – наружный угол поворота; А – расстояние между внутренними поверхностями передней части шин; В – расстояние между внутренними поверхностями задней части шин
Угол развала обеспечивает перпендикулярное расположение колес по отношению к поверхности дороги при движении автомобиля, а также передачу сил реакции дороги на внутренний подшипник, что разгружает наружный подшипник колеса меньшего размера, а значит, уменьшает толчки, передаваемые на рулевой механизм.
Угол развала может быть положительным, когда верхняя часть колеса отклонена наружу относительно кузова автомобиля, отрицательным, когда верхняя часть колеса отклонена внутрь, и нулевым, когда плоскость колеса совпадает с вертикалью.
Неправильная установка углов развала колес может являться следствием:
Все вышесказанное относится как к передним, так и к задним колесам автомобиля.
При диагностировании геометрии подвески углы развала колес проверяются всегда, на автомобилях всех марок, а регулировке подлежат лишь в тех случаях, когда это предусмотрено конструкцией.
Угол схождения колес (разность расстояний между внутренними поверхностями задней и передней частей шин переднего либо заднего моста (Б – А)) необходим для того, чтобы обеспечить параллельное качение колес, так как при движении автомобиля из-за установки колес с развалом возникает усилие, способствующее разворачиванию колес на угол 0,5-1,0″ от вертикальной плоскости автомобиля, что приводит к качению колес по расходящимся дугам. Кроме того, угол схождения предохраняет колеса от проскальзывания при наличии люфта в сочленениях рулевых тяг, подшипниках колес.
Схождение колес может измеряться не только в линейных (мм), но и в угловых величинах (градусах), причем в последнее время измерение в угловых величинах предпочтительнее.
Общее схождение может быть положительным, когда расстояние А меньше, чем Б, отрицательным, когда расстояние А больше, чем Б, и нулевым, когда А равно Б. Помимо общего схождения различают индивидуальное схождение для каждого колеса, определяемое как угол между плоскостью колеса и осью симметрии в плане.
Неправильная установка углов развала колес может являться следствием:
Схождение колес измеряется всегда и регулируется на всех марках автомобилей изменением длины рулевых тяг.
Колеса переднеприводных автомобилей обычно имеют небольшое схождение, как положительное, так и отрицательное (порядка ± 2 мм). На заднеприводных, как правило, только положительное при величине не более 5мм.
Угол поперечного наклона оси определяется углом, образуемым осью подвески с вертикальной плоскостью. Такой наклон совместно с углом развала уменьшает расстояние между точкой пересечения геометрической оси подвески с дорогой и точкой центра контакта шины, что уменьшает плечо момента, который необходимо приложить при повороте колес автомобиля, а значит, облегчает управление автомобилем.
При поперечном наклоне шкворня (оси поворота управляемых колес) повернуть колесо вместе с цапфой всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движение по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса вместе с цапфой передняя часть автомобиля приподнимается на величину б (водитель прилагает сравнительно большое усилие к рулевому колесу).
При возвращении управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, масса автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.
Как правило, этот угол является положительным и достаточно большим (от +5°до +20°) и в эксплуатации не регулируется.
Угол продольного наклона оси служит для стабилизации управляемых колес моментом, возникающим за счет плеча (расстояние от оси подвески до центра контакта шины) боковой силы.
Благодаря продольному наклону шкворня колесо устанавливается так, что его точка опоры по отношению к оси поворота (оси шкворня) отнесена назад на некоторую величину и колесо всегда стремится занять исходное положение, т. е. положение автомобиля при движении по прямой. При этом колесо находится сзади подвески и тянется за ней, это стабилизирует прямолинейный ход колеса с избегание угловых колебаний его. При движении задним ходом появляется противоположный эффект – колесо толкается подвеской, поэтому рулевое колесо удерживается труднее.
Продольный угол наклона оси поворота может быть положительным, когда ось поворота наклонена в сторону водителя, отрицательным, когда она наклонена от водителя, и нулевым, когда ось поворота совпадает с вертикалью.
Слишком большие углы наклона оси поворота приводят к резкому возрастанию усилий, прикладываемых к рулевому колесу при выполнении поворотов.
Неотрегулированность продольных углов наклона оси поворота приводит главным образом к неустойчивому движению автомобиля. Траектория движения автомобиля отклоняется в сторону того колеса, у которого ось поворота наклонена больше. На большинстве автомобилей разница продольных углов наклона оси поворота левого и правого колес не должна превышать 0°30′.
Углы продольного наклона осей поворота колес подлежат проверке. Возможность регулировки предусмотрена далеко не на всех автомобилях.
Оси поворота колес переднеприводных автомобилей имеют небольшие, обычно положительные углы продольного наклона (порядка +2°…+3°). У заднеприводных автомобилей диапазон изменения этого параметра намного больше (от +2° до +14°).
Разность внутреннего и наружного углов поворота необходима для исключения проскальзывания колес при их повороте.
При заходе автомобиля в поворот происходит постепенное перерастание схождения колес в расхождение благодаря специальной конструкции тяг управления колесом. Колесо внутреннего радиуса поворачивается сильнее, чем наружное, что автоматически усиливает изменение направления и облегчает усилие на руль. Это также необходимо и потому, что на повороте внутренние колеса имеют меньший радиус поворота, чем наружные.
При возвращении управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, масса автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.
Шины с небольшим внутренним давлением воздуха также имеют стабилизирующие свойства, поэтому утлы наклона шкворней в легковых автомобилях меньше или совсем отсутствуют. Однако на автомобилях, где давление воздуха в шинах невелико, возникает боковой увод под действием поперечной силы, вызывающей боковой прогиб шины, при этом колеса смещаются в сторону.
Рис. Схема бокового увода колес
Оба колеса передней оси имеют одинаковый угол увода. При уводе колес радиус поворота увеличивается. При уводе колес задней оси радиус поворота уменьшается. Особенно это заметно, если угол увода задних колес больше, чем передних — стабильность движения нарушается, автомобиль начинает «рыскать», и водителю все время приходится подправлять направление движения. Для уменьшения влияния увода на управляемость автомобиля давление воздуха в шинах передних колес должно быть несколько меньше, чем в задних. Увод колес будет тем больше, чем больше будет боковая сила, действующая на автомобиль (например, на крутом повороте, где возникает большая центробежная сила.
Управляемость автомобиля зависит и от состояния рулевого управления. Во время движения водитель постоянно пользуется рулевым колесом, не выпуская его из рук. Если рулевое колесо необходимо поворачивать с большим усилием, водитель быстрее устает, переставая реагировать на небольшие отклонения автомобиля, срезает углы по-, ворота и этим создает угрозу для безопасности движения. При нарушении регулировки подшипников ступиц передних колес, большом люфте в сочленениях рулевого механизма и рулевого привода, неправильной установке передних колес (схождение и развал) или шинах несоответствующего размера также значительно ухудшается управляемость автомобиля.
Движение автомобиля связано с выполнением различных маневров. Во время поворотов на автомобиль действует центробежная сила, при этом нарушается устойчивость автомобиля и водитель затрачивает значительно больше усилий, чем при движении по прямой. Чем длиннее автомобиль и чем круче повороты, тем больше должна быть ширина поезда.
Благодаря наличию рулевой трапеции передние колеса поворачиваются на неодинаковый угол и катятся без проскальзывания. Если полагать, что задние колеса катятся по следу передних, то радиусом поворота считают расстояние от центра поворота до середины задней оси. Наружным радиусом считается расстояние от центра поворота до крайней передней точки автомобиля, а внутренним радиусом — расстояние от центра поворота до ближайшей точки автомобиля у задней оси.
Минимальная величина радиуса поворота зависит от максимального угла поворота передних колес, который не у всех автомобилей одинаков, а у легковых больше, чем у грузовых.
Для автомобилей с прицепами ширина проезда на повороте должна быть еще больше. В этом случае внутренний радиус поворота определяется по ближайшей точке до центра поворота у задней оси последнего прицепа.
Во время движения на повороте возникает центробежная сила, приложенная в центре тяжести автомобиля. Эта сила направлена по радиусу от центра поворота (рис. 201); ее можно разложить на две составляющие, одна из которых (А) направлена вдоль оси автомобиля, а другая (Б)—в поперечном направлении, стремящаяся опрокинуть автомобиль или вызвать его занос.
Рис. Разложение центробежной силы на повороте
Поперечную составляющую центробежной силы определяют по формуле
C = Gv2/gR
где С — поперечная составляющая, приложенная к центру тяжести автомобиля, кгс; G — масса автомобиля, кг; v — скорость движения автомобиля, м/с; R — радиус поворота (до середины задней оси), м; g — ускорение свободно падающего тела, м/с2.
Из приведенной зависимости видно, что чем больше масса и скорость движения и меньше радиус поворота, тем больше будет поперечная составляющая центробежной силы и хуже устойчивость автомобиля на повороте. Наибольшее влияние на величину центробежной силы и ее поперечную составляющую оказывает скорость движения, так как в приведенной зависимости она берется в квадрате. Если скорость движения увеличить в 2 раза, то поперечная составляющая центробежной силы увеличится в 4 раза. Чтобы уменьшить центробежную силу на повороте, водитель должен снизить скорость движения.
Занос — это боковое скольжение задних колес при продолжающемся поступательном движении автомобиля вперед. Иногда занос может привести к повороту автомобиля вокруг своей вертикальной оси. Если резко повернуть управляемые колеса, то может оказаться, что инерционные силы станут больше, чем сила сцепления колес с дорогой, а автомобиль занесет, особенно это часто случается на скользких дорогах.
При неодинаковых тяговых силах, приложенных на колеса правой и левой сторон, возникает поворачивающий момент, приводящий к заносу. Непосредственной причиной заноса при торможении являются неодинаковые тормозные силы на колесах одной оси, неодинаковое сцепление колес правой и левой стороны с дорогой или неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля. Причиной заноса автомобиля на повороте может быть также торможение его, так как при этом к поперечной силе добавляется продольная сила и их результирующая может превысить силу сцепления, препятствующую заносу.
Рис. Схема заноса автомобиля на повороте
Чтобы приостановить начавшийся занос автомобиля, необходимо сразу же прекратить торможение и, не выключая сцепление, повернуть колеса в сторону заноса. После прекращения заноса нужно выровнять колеса, чтобы он не начался в другом направлении.
Чаще всего занос получается при резком торможении на мокрой или обледенелой дороге; особенно быстро наступает занос на большой скорости, поэтому на скользкой или обледенелой дороге и на поворотах нужно уменьшать скорость, не применяя торможение. Кроме заноса, при определенных условиях может возникнуть опрокидывание автомобиля.
Управляемость автомобиля и факторы, на неё влияющие о которых желательно знать
Кинематика поворота автомобиля на абсолютно жестких колесах
Рулевое управление автомобиля должно обеспечивать такую кинематику поворота, при которой продолжнения осей всех колес пересекаются в одной точке, называемой центром поворота:
Кинематика поворота автомобиля
В обычном понимании шина едет прямо, однако, т.к. она не твердая а эластичная, то деформируется под действием сил. Форма беговой дорожки изкривляется и в реальности шина начинает ехать не туда куда направляется, а отклоняется от этого направления на некий угол δ.
Боковые силы, которые действуют на шину:
Центробежная сила в повороте действует на автомобиль и он в свою очередь на шину. Чтобы вызвать силовой увод, достаточно едва заметно вильнуть рулем.
Тила тяжести (тоже действует на машину) а при наличии уклона дороги в бок вызывает силовой увод шины. Любая дорога должна иметь уклон в сторону обочины. Это закладывается в проект для того чтобы с её поверхности стекала вода. Так же плохие дороги имеют множество неровностей втч таких которые вызывают силовой увод шины.
На сопротивление силовому уводу шины влияют следующие факторы:
Конструкция шины (например радиальная жестче диагональной, но и шины одного типа разной конструкции могут иметь разное сопротивление силовому уводу).
Давление в шине. Чем больше давление, тем меньше силовой увод.
Наличие тяги на колесе. Если ось ведущая, то сопротивление силовому уводу меньше. Чем больше тяга на оси, тем слабее шина может сопротивляться силовому уводу.
Соотношение ширины и высоты профиля. Чем меньше в процентном отношении высота профиля, тем больше сопротивление силовому уводу. По этому если стоит вопрос дилема поставить 15” диски или 16” диски при одинаковом внешнем диаметре колеса, лучше выбрать 16-е даже учитывая что они несколько дороже.
Соотношение ширины профиля шины и ширины диска. Чем шире диск, тем лучше шина сопротивляется силовому уводу. Рационально ставить диски, которые на 20% уже профиля колеса. Например если шина имеет ширину профиля 12.5 дюймов или 315мм, то для неё стоит использовать диски шириной 10J. Среди джиперов принято ставить более узкие диски чтобы уменьшить вероятность разбортировки при стравливании давления для движения по слабым грунтам. Да, всё правильно но принимая такое решение стоит осознавать и отрицательные стороны (чтобы не гадать потом почему машина «рыскает» по дороге на скорости выше 90).
Масса, приходящаяся на колесо. Чем больше масса, тем хуже шина сопротивляется силовому уводу.
Наклон колеса по отношению к плоскости дороги. Сопротивление силовому уводу хуже если колесо наклонено в сторону боковой силы и наоборот.
Угловая жесткость подвески (та самая которая препятствует крену). Чем она больше, тем больше силовой увод шин.
Кинематический увод колеса
Крен кузова может вызвать наклон колеса по отношению к плоскости дороги.
Зависимая подвеска почти не вызывает при крене кузова дополнительный наклон помимо заранее установленной величины развала колес (кроме очень незначительного наклона в результате деформации шин от переноса масс).
Независимая подвеска на двойных поперечных рычагах (ВАЗ-классика, Нива, Митсубуиси Паджеро, Тойота Сурф/Хайлюкс/4Раннер итд) колесо кренится в сторону крена кузова и вызывает дополнительный увод колеса, который на передней поси полезен (но об этом позже).
Независимая подвеска на одном поперечном рычаге (НАМИ-1, на современных автомобилях такая не применяется, лишь её разновидность «на косых рычагах» например на БМВ задняя подвеска) вызывает наклон колеса в сторону, противоположную крену кузова. Такой наклон уменьшает увод, это благоприятно для задней оси.
Макферсон. Как правило вызывает меньший увод чем 2). Так же применима для передней оси автомобиля.
Кинематический увод оси.
Т.к. шарниры рычагов подвески при крене в поворотах описываеют траекторию окружности относительно кузова, то и положение оси относительно кузова меняется. Ось (зависимой подвески) может разворачиваться относительно автомобиля (на большинстве автомобилей так и происходит) и тем самым подруливать в ту или иную сторону. (этот эффект обычно используется для улучшения управляемости).
Поворот автомобиля на эластичных колесах
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.
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.
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:
Положительный развал передних колес автомобиля (колеса наклонены наружу).
Увеличение наклона колеса наружу поворота при крене. Этот метод доступен только на независимых подвесках.
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:
Отрицательный развал задних колес автомобиля (колеса наклонены внутрь). Возможно только на независимой подвеске ведущей задней оси.
Увеличение наклона колес внутрь поворота при крене. Тоже касается только независимой подвески.
Уменьшение угловой жесткости задней подвески
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)
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.
Разворот заднй оси автомобиля в сторону поворота
Влияние типа привода на управляемость автомобиля
Склонен к недостаточной повроачиваемости. Т.к. наличие тяги на оси снижает сопротивление силовому уводу шины, то наличие тяги на передней оси увеличивает силовой увод а её отсутствие на задней оси уменьшает силовой увод задней оси получаем автомобиль склонный к недостаточной поворачиваемости, что в общем благоприятно для автомобиля. Если недостаточная поворачиваемость избыточна, её легко уменьшить кинематикой направляющего устройства задней подвески (легче чем наоборот)
Если не брать во внимание кинематику подвески и соотношение угловых жесткостей, то автомобиль с полным приводом имеет поворачиваемость близкую к нейтральной т.к. тяга у него (как правило межосевой дифференциал либо симметричный либо близок к симметричному) распределяется по осям равномерно и силовой увод шин примерно одинаков. Полный привод заметно снижает требования к подвеске автомобиля. Это то, почему постоянный дифференциальный полный привод нужен не только на нестабильных грунтах, но и на сухом асфальте.
Склонен к избыточной поворачиваемости. Это самая сложная задача для конструктора подвесок. Приходится прибегать к целому ряду мер для снижения склонности автомобиля к избыточной поворачиваемости и идти на ряд компромисов. Список таких мер приводится выше.
[Знание-сила!] Управляемость автомобиля и факторы, на неё влияющие о которых полезно знать
Попробовал собрать все мысли в одну статью, получилось многовато, но это минимум, который нужно знать любому автокулибину.
Кинематика поворота автомобиля на абсолютно жестких колесах
Рулевое управление автомобиля должно обеспечивать такую кинематику поворота, при которой продолжнения осей всех колес пересекаются в одной точке, называемой центром поворота:
В обычном понимании шина едет прямо, однако, т.к. она не твердая а эластичная, то деформируется под действием сил. Форма беговой дорожки искривляется и в реальности шина начинает ехать не туда куда направляется, а отклоняется от этого направления на некий угол δ.
И для того, чтобы отпечаток шины изменил форму, вовсе не обязательно буквально поворачивать. Для этого вполне достаточно небольшого наклона дорожного полотна (обеспечивающего слив воды), неровности асфальта, лёгкого подруливания, бокового ветра, даже при движении по абсолютно прямолинейному участку дороги. Один или несколько из этих факторов ВСЕГДА во время движения автомобиля.
Боковые силы, которые действуют на шину:
Центробежная сила в повороте действует на автомобиль и он в свою очередь на шину. Чтобы вызвать силовой увод, достаточно едва заметно вильнуть рулем.
Тила тяжести (тоже действует на машину) а при наличии уклона дороги в бок вызывает силовой увод шины. Любая дорога должна иметь уклон в сторону обочины. Это закладывается в проект для того чтобы с её поверхности стекала вода. Так же плохие дороги имеют множество неровностей, которые вызывают силовой увод шины в произвольную сторону при движении.
На сопротивление силовому уводу шины влияют следующие факторы:
Конструкция шины (например диагональная жестче чем радиальная, металлокорд обеспечивает лучшую сопротивляемость силовому уводу чем нейлоновый корд), но и шины одного типа разной модели могут иметь разное сопротивление силовому уводу). Радиальные шины с нейлоновым кордом получили наибольшее распространение из за наименьшего сопротивления качению и наибольшей долговечности.
Давление в шине. Чем больше давление, тем меньше силовой увод.
Наличие тяги на колесе. Если ось ведущая, то сопротивление силовому уводу меньше. Чем больше тяга на оси, тем больше деформация шины и силовой увод.
Соотношение ширины профиля шины и ширины диска. Чем шире диск, тем лучше шина сопротивляется силовому уводу. Рационально ставить диски, которые на 20% уже профиля колеса. Например если шина имеет ширину профиля 195мм, то для неё стоит использовать диски шириной 6J (в дюймах).
Масса, приходящаяся на колесо. Чем больше масса, тем хуже шина сопротивляется силовому уводу. Иными словами, чем тяжелее машина – тем больше должны быть шины.
Наклон колеса по отношению к плоскости дороги. Сопротивление силовому уводу хуже если наружное (со стороны, куда направлена боковая сила) колесо наклонено в сторону боковой силы и наоборот.
Угловая жесткость подвески (та самая которая препятствует крену). Чем она больше, тем больше силовой увод шин. Стабилизатор поперечной устойчивости увеличивает силовой увод.
Кинематический увод колеса
Крен кузова может вызвать наклон колеса по отношению к плоскости дороги.
Зависимая подвеска почти не вызывает при крене кузова дополнительный наклон помимо заранее установленной величины развала колес (кроме очень незначительного наклона в результате деформации шин от переноса масс).
Независимая подвеска на двойных поперечных рычагах (ВАЗ-классика, Нива, Москвич-классика, Митсубуиси Паджеро, Тойота Сурф/Хайлюкс/4Раннер итд) колесо кренится в сторону крена кузова и вызывает дополнительный увод колеса, который на передней оси заднеприводного автомобиля полезен (но об этом позже).
Независимая подвеска на одном поперечном рычаге (НАМИ-1, на современных автомобилях такая не применяется, лишь её разновидность «на косых рычагах» например на БМВ задняя подвеска) вызывает наклон колеса в сторону, противоположную крену кузова. Такой наклон уменьшает увод, это благоприятно для задней оси заднеприводного автомобиля.
Макферсон. Как правило, вызывает меньший увод чем подвеска на двойных поперечных рычагах. Так же применима для передней оси автомобиля.
Кинематический увод оси.
Т.к. шарниры рычагов или рессор зависимой подвески при крене в поворотах описывают траекторию окружности относительно кузова, то и положение оси относительно кузова меняется. Ось (зависимой подвески) может разворачиваться относительно автомобиля (на большинстве автомобилей так и происходит) и тем самым подруливать в ту или иную сторону. Этот эффект обычно используется конструкторами для улучшения управляемости, однако, когда любители вносят изменения (например лифт задней подвески установкой лишних листов в рессоры, подкладок под пружины, более высоких пружин или пружин дополнительно к рессорам), зачастую статическое положение подвески изменяется таким образом, что получается эффект, обратный задуманному.
Поворот автомобиля на эластичных колесах
Под термином «поворачиваемость» большинство автолюбителей автоматически понимают свойства автомобиля, проявляющиеся при прохождении поворотов. На самом же деле негативные моменты, связанные с поворачивамостью, в наибольшей мере проявляют себя именно при прямолинейном движении. При чём, чем больше скорость – тем сильнее.
Если совокупный увод на передней оси больше увода на 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 легко компенсирует возмущение. Автомобиль движется прямо, но передние колеса немного повернуты. В действительности большинство автомобилей проектируется и доводится именно таким образом, чтобы их поворачиваемость была лёгкой недостаточной.
Если совокупный увод на осях автомобиля одинаков, то радиус поворота таков каким он был бы на жестких колёсах. Такие автомобили называются автомобилями с нейтральной поворачиваемостью. При появлении боковой силы, автомобиль начинает боком «сползать» с дороги. Коррекция рулем легко компенсирует возмущение. Автомобиль движется немного боком по курсу.
Если совокупный увод на передней оси меньше увода на задней, то радиус поворота меньше чем был бы на жестких колесах. При воздействии боковой силы появляется центробежная сила, которая не гасит возмущение. Автомобиль не устойчив. Курс меняется, коррекция рулем возможно (не всегда) компенсирует это изменение. Автомобиль движется боком, передние колеса повернуты.
Это самый неприятный и опасный эффект. Реально для водителей выглядит как «рысканье» автомобиля по казалось бы прямой дороге на большой скорости. Приходится много подруливать «ловя» прямолинейное движение. Рысканье «устаканивается» при сбрасывании газа так как при этом снимается тяга с задней оси и уменьшается силовой увод шин на ней.
Автомобилей с чисто нейтральной поворачиваемостью не бывает. Увод на осях автомобиля меняется и по мере поворота рулевого колеса и в зависимости от крена кузова в повороте, наличия тяги, наличия других боковых сил. Реальный современный автомобиль должен при любых условиях, любой загрузке, любом маневре иметь определенную небольшую недостаточную поворачиваемость. На практике борьба за управляемость выглядит как борьба с избыточной поворачиваемостью, особенно для заднеприводного автомобиля. 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:
Положительный развал передних колес автомобиля (колеса наклонены наружу).
Увеличение наклона наружного (нагруженного) ПЕРЕДНЕГО колеса наружу поворота при крене. Этот метод доступен только на независимых подвесках, в частности на подвеске с двойными поперечными рычагами (ВАЗ и Москвич классика).
Увеличение угловой (против крена) жесткости ПЕРЕДНЕЙ подвески относительно задней. Рекомендуется 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 для зависимой подвески 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. При наезде на препятствие только одним колесом, суммарная жесткость складывается из его жесткости и жесткости основного упругого элемента). Тем не менее, именно поэтому на автомобили в большинстве случаев стабилизатор стоит именно на передней оси либо передний стабилизатор гораздо жестче чем задний.
Отрицательный развал задних колес автомобиля (колеса наклонены внутрь). Возможно только на независимой подвеске ведущей задней оси.
Увеличение наклона колес внутрь поворота при крене. Тоже касается только независимой подвески.
Уменьшение угловой жесткости задней подвески
Разворот задней оси в сторону поворота. Обеспечение кинематики направляющего устройства, которая бы при повороте подруливала (разворачивала) ось в сторону поворота.
Если на заднеприводном автомобиле и не применяется этот приём, то по крайней мере не допускается разворот оси в обратную сторону.
Как правило автолюбители дорабатывая автомобили самостоятельно, эту кинематику наоборот портят. Например устанавливая в рессоры дополнительные листы или дополняя рессоры пружинами 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.
Установка дифференциала повышенного трения в заднюю ведущую ось (например винтового Quaife, дискового, вискомуфты или Торсен).
Влияние типа привода на управляемость автомобиля
По умолчанию склонен к недостаточной повроачиваемости. Т.к. наличие тяги на оси снижает сопротивление силовому уводу шины, то наличие тяги на передней оси увеличивает силовой увод а её отсутствие на задней оси уменьшает силовой увод задней оси получаем автомобиль склонный к недостаточной поворачиваемости, что в общем благоприятно для автомобиля. Если недостаточная поворачиваемость слишком велика, её легко уменьшить кинематикой направляющего устройства задней подвески (легче чем наоборот). При всех преимуществах, у переднего привода есть очень большой недостаток – сложно реализовать большую тягу (обратите внимание как даже на маломощных «Самарах» при резком старте легко поднимается перед и колёса начинают шлифовать асфальт).
Если не брать во внимание кинематику подвески и соотношение угловых жесткостей, то автомобиль с полным приводом имеет поворачиваемость близкую к нейтральной т.к. тяга у него (как правило межосевой дифференциал либо симметричный либо близок к симметричному) распределяется по осям равномерно и силовой увод шин примерно одинаков. Полный привод заметно снижает требования к подвеске автомобиля. Это то, почему постоянный дифференциальный полный привод нужен не только на нестабильных грунтах, но и на сухом асфальте.
Склонен к избыточной поворачиваемости. Это самая сложная задача для конструктора подвесок. Приходится прибегать к целому ряду мер для снижения склонности автомобиля к избыточной поворачиваемости и идти на ряд компромисов. Список таких мер приводится выше. Между тем, обратите внимание, что задний привод всё равно настойчиво применяется на дорогих и мощных автомобилях. Это потому, что на нём можно реализовать гораздо большую тягу чем на переднем на опорных поверхностях, на которых она реализуема в принципе – сухой асфальт.
А теперь о наиболее модных переделках:
Стабилизаторы и крен. Очень модно среди автолюбителей устанавливать на жигули и Волги задний стабилизатор поперечной устойчивости. Это уменьшает крен и водитель чувствует себя уверенней. В действительности, кренов не стоит бояться. Это конечно на практике стрёмно, и при крене происходит смещение центра тяжести, но оно слишком несущественное чтобы хоть сколько-нибудь значительно повлиять на устойчивость автомобиля, особенно легкового. К примеру на Рэнджровере 1-ой серии стабилизаторов нет вообще, он сильно кренится в поворотах, но его владельцы не слишком комплексуют по этому поводу :). Стабилизатор – это довольно-таки противная вещь. Если на подвеске стоит стабилизатор, то при наезде на препятствие одним колесом, жесткость складывается из жесткости основной подвески плюс жесткости стабилизатора. В добавок, одним из фактором, влияющим на «поворачиваемость» автомобиля (недостаточная, нейтральная или избыточная) является соотношение угловой жесткости передней и задней подвески (на которую непосредственно влияет стабилизатор).
При установке заднего стабилизатора без соответствующего увеличения жесткости переднего, это соотношение меняется и автомобиль может стать склонным к избыточной поворачиваемости, что является крайне неприятным явлением и проявляется в виде «рысканья» автомобиля при прямолинейном движении на большой скорости.
Кроме того, в конструкции подвески, скорее всего предусмотрена какая-то компенсация за счёт кинематики, которая не происходит если уменьшается крен относительно заложенного в конструкции при заданном окружной боковой силе.
Независимая подвеска на зад вместо моста. Очень модная тема среди самодельщиков – это установка на зад жигулей или Волги подвески от старой БМВ. Если кратко: нельзя устанавливать в автомобиль заднюю подвеску принципиально другого типа не установив от донора и переднюю. Но тогда, наверное, проще ездить на самом доноре.
Попробую в общих чертах объяснить почему задняя подвеска от БМВ на Жигулях или Москвиче – это минус а не плюс. Конечно, идея полностью независимой подвески на автомобиле – это хорошо т.к. позволяет более предсказуемо быстро ехать по разбитой грунтовой дороги. Малые неподрессоренные массы позволяют подвеске быстрее срабатывать, лучше обкатывать неровности и не терять с ними контакт. При этом, т.к. неподрессоренные массы на задней подвеске меньше чем на передней, то переднюю ось сносит первой, её занос не прогрессирующий (направление заноса обратно центробежной силе) и водитель успевает среагировать прежде чем дело доходит до прогрессирующего заноса задней оси.
Если вы адский раллист и любите отжигать по грунтовкам, то полностью независимая подвеска – это необходимость. Для асфальтовых гонщиков никаких реальных преимуществ независимая подвеска на задней оси не даёт.
Заднеприводный автомобиль по умолчанию склонен к избыточной поворачиваемости т.к. силовой увод шин задней оси больше чем у передней из за того, что она ведущая. Для компенсации этого явления, на таких автомобилях как Жигули, Москвич или Волга, спереди установлена независимая подвеска на двойных поперечных рычагах, кинематика которой такова, что колёса наклоняются таким образом, что усиливается силовой увод шин передней оси, чем и компенсируется силовой увод шин на задней. Однако, на БМВ спереди стоит МакФерсон, который ничего не компенсирует. За то, сзади на БМВ поставили независимую подвеску на косых рычагах, которые напрямую компенсируют силовой увод собственных шин уменьшая его (тоже за счёт наклона в нужную сторону, в другую). Такое решение, несомненно правильнее во-первых с точки зрения управляемости т.к. проблема решается прямо в её источнике. Во-вторых, это позволяет установить на перед МакФерсон и расширить подкапотное пространство, высвободив компоновочное пространство для двигателя и вспомогательных агрегатов. Но, как и у любой конструкции, есть и недостатки: Во-первых, при этом ось крена атомобиля на подвеске опускается до уровня асфальта со стороны задней подвески, что несколько увеличивает плечо крена и его величину. А спереди у нас МакФерсон, с кинематикой, очень чувствительной к крену из за коротких нижних рычагов, следовательно нужно «глушить» крен стабилизатором, что и делает фирма БМВ. А сильный стабилизатор – неприятная вещь в плане комфорта для плохих дорог. Во-вторых, получаем в автомобиле ещё одну ось, правильность установки колёс которой зависит от высоты посадки автомобиля на подвеске, а в случае задней оси, переменность нагрузки гораздо больше чем в случае передней (так как задние пассажиры и груз сидят прямо на ней) и высота посадки сильно зависит от наличия или отсутствия трёх задних пассажиров и груза в багажнике.
Ну и наконец, поставив заднюю подвеску на косых рычагах на автомобиль с передней на двойных поперечных рычагах, мы получаем двойную компенсацию силового увода шин задней оси и можем нарваться на недостаточную поворачиваемость. Она, конечно, не так страшна как избыточная, и эту ситуацию можно легко «вылечить» установив стабилизатор поперечной устойчивости на заднюю подвеску, но зачем нам ещё одна лишняя деталь, к тому же отрицательно сказывающаяся на комфорте? Да и вообще, зачем весь этот гемморой? Для того, чтобы быстрее ездить по грунтовкам? Лучше уж тогда по ним поездить аккуратнее, но за то с комфортом. Ну, или на «оригинале» БМВ, учитывая что старые БМВ сейчас весьма доступны, стоят недорого и запчастей к ним навалом.
Кастор – (так же известный как «продольный наклон шкворня») это ещё одна очень модная тема, часто рассматривающаяся как панацея против всех проблем с управляемостью автомобиля. В действительности же, реально этот наклон влияет только на возврат руля в центр и, в общем, имеет смысл только на автомобилях с ГУР, а на автомобилях без него, лишь утяжеляет руль. При установке ГУР на автомобиль без него, если руль кажется «ватным», имеет смысл «завалить кастор» градусов на 5-7, собственно для чёткого возврата. В остальных случаях, кастор может на что-то повлиять лишь косвенно, к примеру из за всё того же утяжеления руля, он мешает водителю активно подруливать и тем самым уменьшает рысканье. Но с рысканьем на самом деле, нужно бороться устраняя причину а не частично следствие.
Занижение – ещё одна очень модная тема для тюнинга в наше время. Идея занижения автомобиля вполне рациональна: чем меньше под машиной просвет, тем меньше там воздуха, тем меньше он отрицательно влияет на сцепление автомобиля с дорогой на большой скорости. И это не считая «стильного» внешнего вида. Лично мне очень нравятся заниженные автомобили с эстетической точки зрения. Однако, в реальной жизни, НЕЗАВИСИМАЯ подвеска автомобиля геометрически проектируется таким образом, что ширина колеи почти неизменна при ходе подвески. Допускается изменение колеи в пределах упругости шин.
Тем не менее, вменяемыми методами, это условие возможно выполнить только в некотором небольшом диапазоне хода подвески, близком к её нейтральному положению. Считается что подавляющую часть времени, при движении на большой скорости, подвеска автомобиля работает в этом небольшом диапазоне. Однако, для обеспечения необходимой энергоёмкости подвески при вменяемой жесткости, ход подвески делается существенно больше чем этот диапазон, в котором колея близка к постоянной. Подразумевается, что при работе подвески, в этот диапазон подвеска переходит достаточно редко, только при наезде на крупные препятствия, на которые, как правило, наезжают на небольшой скорости. На большой – реже, в основном по случайности. Так вот при занижении автомобиля, независимая подвеска выводится (из нормального состояния) в этот самый диапазон сильной переменности колеи постоянно независимо от того, что развал колёс подрегулировали под новое положение. Более того, вдали от нормального нейтрального положения, кинематика подвески уже не работает таким образом, чтобы компенсировать силовой увод шин. И ещё один косяк заключается в том, что рулевые тяги принимают такое положение, при котором схождение колёс становится переменным.
Конечно, если ездить, лёжа на отбойниках (резиновых буферах подвески), то подвеска почти не работает и следовательно колея не переменна и схождение почти постоянно. А адские низкопрофильные шины фактически не имеют силового увода (он ничтожен) и компенсировать его тоже не требуется. Однако, стоит ли таким образом подвергать разрушительным нагрузкам не только все узлы автомобиля включая кузов, но и тела водителя и пассажиров? В нашей стране нужно ездить на автомобиле с максимально мягкой длинноходной подвеской и «мясными» шинами, способными проехать любую весеннюю выбоину в асфальте не лопнув и без разрушения колёсного диска.
Если подвеска ЗАВИСИМАЯ, то её занизить несколько проще. После занижения нужно скорректировать кастор, положение короткой рулевой тяги на переднем мосту и направление редуктора заднего моста.
Но, также следует учитывать следующие вещи:
При занижении зависимой задней подвески мы можем утратить кинематическую компенсацию задней подвески или наоборот её увеличить за необходимые пределы (в зависимости от конструкции).
Если подвеска рессорная, то в большинстве случаев занижают двумя способами:
1) Удалением части листов из рессор. Делать это не желательно. Во-первых, многолистовая рессора проектируется как единое целое с выполнением условия балки равного сопротивления изгиба и это обеспечивает равномерное распределение напряжений по длине листа. В случае нарушения этого условия рессора достаточно быстро выходит из строя (лопается) от усталостного износа. Такая машина годится только для эпизодических выездов на мероприятия. Во-вторых ослабленная рессора становится более склонной к S-образному изгибу от реактивного момента моста (особенно при троганьи и торможении). Это довольно-таки неприятный эффект при вождении автомобиля и такая рессора быстр лопается возле стремянок.
2) Установкой проставок между мостом и рессорой и более длинных стремянок. В этом случае ось моста удаляется от коренного листа рессоры, в результате чего увеличивается рычаг к реактивному моменту, что тоже вызывает S-образный изгиб рессор и довольно-таки скорый их выход из строя (поломка листов около стремянок). От этого существует «лекарство», так называемая реактивная тяга или «Traction bar». Такая тяга одна устанавливается от кузова через серьгу к заднему мосту двумя резиновыми шарнирами и предотвращает S-образный изгиб.