Грузовые автомобили

Грузовой автотранспорт. Многоосные автомобили

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Оценка устойчивости автомобиля имеет исключительно большое значение. Это эксплуатационное свойство обеспечивает безопасность движения и связанную с ней сохранность людей и груза. Важность этой проблемы для многоосных автомобилей определяется большими габаритами перевозимого груза, который может иметь значительную высоту расположения центра масс над поверхностью дороги (например, крановое оборудование). Если для двухосных автомобилей проблема устойчивости актуальна в связи с высокими скоростями движения, то для многоосных автомобилей ее значение определяется скоростью, положением центра масс груза и многоопорностью ходовой части.

Решить очень сложную задачу оценки схем рулевых управлений по критериям устойчивости в настоящее время стало возможным благодаря созданию проф. Д. А. Антоновым теории устойчивости движения многоосных автомобилей [4 и 5]. В этой теории под устойчивостью движения автомобиля понимается свойство конструкции автомобиля сохранять заданные дифференциальные параметры управляемого, но некорректируемого движения после прекращения действия возмущающих сил. Многоосный автомобиль рассматривается с произвольным числом осей, с произвольным размещением осей по базе и с произвольной схемой рулевого управления. Учитываются особенности принятой схемы трансмиссии. Таким образом, теория устойчивости базируется на рассмотрении всех общих конструктивных решений.

При учете нелинейностей могут быть выявлены закономерности движения многоосного автомобиля с точки зрения устойчивости. При сравнительно небольших допущениях в теории предпринята попытка учесть основные физические явления и конструктивные особенности многоосных автомобилей, определяющие устойчивость их движения. Движение рассматривается носительно поступательной и угловой скорости как в установившемся, так и в неустановившемся режимах.

В качестве критерия оценки предложены зависимости критической скорости икР движения — скорости, при которой теряется устойчивое движение в сформулированном выше понимании. Предложены выражения критической скорости разной слс сти в зависимости от условий решаемой задачи.

При рассмотрении различных схем рулевого управления использованы следующие выражения критической скорости для установившегося прямолинейного движения при равенстве характеристик колес автомобиля

Попытка использования формул типа для подсчета критической скорости vKp для более сложных режимов движения оказалась неудачной, так как представляет определенные трудности расчетное определение значений коэффициентов коррекции увода эластичных шин из-за необходимости учета различных факторов, влияющих .на увод, многие из которых к тому же взаимозависимы.

При вычислении коэффициентов коррекции увода требуется повышенная точность, при несоблюдении которой нельзя выявить уровень влияния различных конструктивных параметров на величину критической скорости движения. Многие коэффициенты коррекции увода подсчитывают по эмпирическим формулам, достоверность которых требует проверки.

Приведенные исследования четырехосных автомобилей с различными схемами рулевого управления подтвердили существующие оценки различных схем расположения осей по базе и рулевого управления

Наибольшая устойчивость движения при всех прочих равных условиях свойственна как при прямолинейном, так и при криволинейном движении схеме, в которой управляемыми являются только колеса передних осей при тележечной схеме расстановки осей по базе (на  59 1=0,125). Автомобили, имеющие управляемые передние и задние оси при сближенных центральных осях, обладают наихудшей устойчивостью движения. Критическая скорость этих автомобилей снижается на 30 % и может лежать в пределах эксплуатационных скоростей движения.

На величину критической скорости влияют различные конструктивные факторы и условия движения []. Установлено, что практически все параметры автомобиля через частные функции и коэффициенты коррекции q влияют на устойчивость движения. Это влияние тесно связано с геометрическими размерами автомобиля, положением центра масс, характеристиками шин, числом осей, размещением осей по базе, принятой схемой рулевого управления и др.

Для установления физической сущности и объяснения причин появления    определенных свойств различных схем рулевого управления полезно провести анализ изменения   боковых сил на колесах в равных условиях движения.

Оценка устойчивости автомобиля против заноса по боковой силе, действующей на заднюю ось, выбрана не случайно. Теоретически доказано, что начало заноса задней оси автомобиля опасно, так как начавшееся ее скольжение прогрессирует и в последующем приводит к потере устойчивости движения. При скольжении передней оси этого не происходит.

Скольжение одной задней оси многоосного автомобиля еще не означает потерю устойчивости его движения. Такое скольжение происходит при эксплуатации часто на многих режимах движения, однако потери устойчивости не наблюдается. Устойчивость многоосный автомобиль теряет тогда, когда начинается скольжение группы задних осей. Исходя из этого, по аналогии с двухосными, судить об устойчивости многоосных автомобилей против заноса можно по суммарной удельной боковой силе, приходящейся на оси, расположенные в задней от геометрического центра части автомобиля, вызывающей занос автомобиля. При рассмотрении четырехосного автомобиля суммировать следует удельные боковые силы, действующие на третью и четвертую оси, шестиосного шасси — силы, действующие на четвертую, пятую и шестую оси и т. д.

Чем больше силы, которые могут вызывать занос, тем устойчивее должен быть автомобиль. Однако, как показали исследования, этого параметра для оценки устойчивости против заноса для многоосных автомобилей недостаточно. В условиях эксплуатации у одних автомобилей удельные боковые силы могут возникать часто, а у других они не возникают или недостаточны, чтобы вызвать занос. На удельные боковые силы, вызывающие занос, важное влияние оказывает схема рулевого управления и схема размещения осей по базе. В связи с этим целесообразно в качестве оценочного параметра принять сумму удельных боковых сил, действующих на группу задних по отношению к геометрическому центру осей в реальных условиях эксплуатации, и соотношение сумм удельных боковых сил, действующих на задние и передние оси в тех же условиях.

Для сравнительного анализа двух схем рулевого управления с точки зрения их влияния на устойчивость против заноса, очевидно, следует рассмотреть параметры, связанные со схемой, а все прочие параметры, влияющие на занос, считать постоянными. К числу первых параметров относятся боковые силы и их распределение по осям при криволинейном движении. Боковую силу на оси будем оценивать углом увода б и коэффициентом сопротивления уводу Д"6. Последний параметр, поскольку приводится сравнительный анализ, считаем не зависящим от схемы рулевого управления и размещения осей по базе.

Таким образом, оценку схем можно свести к оценке величин углов увода б на осях и к их распределению между осями. Очевидно, автомобиль с большим суммарным значением углов увода на группе задних осей при всех прочих равных условиях будет менее устойчив против заноса. Превышение суммы углов увода задних осей над суммой углов увода передних осей указывает на большую склонность автомобиля к заносу по сравнению с автомобилем, имеющим меньшее соотношение суммарных значений углов увода.

Для оценки различных автомобилей проведем сравнительный расчет соотношения углов увода для условного четырехосного автомобиля с двумя различными схемами управления и размещения осей по базе по исходным данным, принятым выше, по общим уравнениям поворота

Углы увода осей автомобиля со схемой 1—00—4 и разброс их значений для разных осей значительны. У автомобиля со схемой 12—00 углы увода первой, второй и четвертой осей различаются незначительно и возрастают с увеличением скорости движения. В пределах эксплуатационных скоростей 6^10° (предел по условию скольжения оси от боковых сил). При малых скоростях |б3.| = |б4|, но они противоположны по знаку. С увеличением скорости б3 снижается до нуля, когда центр поворота будет находиться на продолжении геометрической оси. Затем этот угол увеличивается в области положительных значений. При равных начальных радиусах он не выходит из области отрицательных значений.

Сумма углов увода осей передней тележки значительно выше суммы углов увода задних неуправляемых осей. Это дает основание полагать высокую устойчивость движения автомобиля по условиям заноса при всех прочих равных условиях с данной схемой управления и размещения осей по базе. При криволинейном движении наиболее вероятен занос передних осей.

У автомобиля с осевой формулой 1—00—4 углы увода осей значительно различаются. Наибольшее значение они имеют на третьей оси, относящейся к группе задних осей. Они входят в режим скольжения при сравнительно малых скоростях, равных 10... 15 км/ч. В данном случае вся нагрузка от боковых сил падает на вторую и четвертую оси, у которых углы увода, начиная с этих скоростей, переходят в область положительных значений и с увеличением скорости возрастают. Все это указывает на большую возможность скольжения всей группы задних осей и большую вероятность потери устойчивости по заносу. На это же указывает и соотношение сумм углов увода по группам осей, У автомобиля со схемой 1—00—4 сумма углов задних осей выше, чем передних, и значительно больше, чем у задних осей ав томобиля, имеющего схему 12—00.

Отмеченное обстоятельство дает объяснение полученному вы ше выводу — устойчивость автомобиля против заноса с передними и задними управляемыми колесами и со сближенными центральными осями ниже, чем у автомобиля, имеющего т< передние управляемые колеса и тележечное размещение осей. Вероятность потери устойчивости по заносу у первого автомобиля больше, чем у второго, при тех же режимах и условиях движения.

Поскольку исследование проводилось при всех прочих f ных условиях, влияющих на занос, то указанный недостаток ляется органическим для рулевого управления схемы 1—00—4 при осевой формуле 1—2—1, не имеющего специальных конструктивных устройств в приводе управления задними поворотными колесами (см. ниже). Прочие факторы будут усиливать или ослаблять этот недостаток. Так, если автомобиль имеет блокированный привод колес, то неравномерное распределение сил тяги по колесам будет усугублять отмеченный недостаток. Центральные оси будут перегружены силами тяги в дополнение к перегрузке боковыми силами. Пртеря устойчивости против заноса наступит раньше.

Рассмотренный недостаток автомобиля объясняется особенностями кинематики поворота, которые отражает общая зависимость. При криволинейном движении автомобиля с различными схемами управления при равных углах поворота управляемых осей на нарастание углов увода влияет главным образом величина радиуса поворота R, а распределение этих углов по осям определяет координата /(- или при движении с равными начальными радиусами — величина смещения центра поворота. При этом характерно, что скорость движения автомобиля практически не влияет на распределение боковых сил и определяет количественную сторону. При определенной скорости наступает потеря устойчивости по заносу. Значения этой скорости зависят от всего комплекса характеристик автомобиля и точно определены выше расчетом.

Подобный сравнительный анализ двух схем шестиосных автомобилей (первая схема, характеризуемая колесной формулой 3—3 и формулой управления 123—000; вторая схема — соответственно 2—2—2 и 12—00—56) дает аналогичные результаты. С точки зрения устойчивости против заноса, предпочтительнее первая схема автомобиля с тележечным размещением осей и с передними управляемыми колесами.

Выводы, сделанные по результатам расчета, подтверждаются экспериментальными данными, полученными на моделях, различающихся схемами рулевого управления и размещения осей по базе.

Выше был проведен сравнительный анализ схем рулевого управления при установившемся повороте, когда а,-=const. Этот режим движения имеет важное значение для оценки схем. Не менее важен в этом отношении неустановившийся режим движения при входе в поворот и при выходе из него, когда ai=var. Сравним две схемы управления на основании кинематического анализа. Автомобиль в неустановившемся повороте можно представить как многозвенный механизм, состоящий из большого числа шарнирно связанных звеньев, каждое из которых в общем случае имеет свою угловую скорость и центр поворота. Такими звеньями являются все управляемые колеса и продольная ось автомобиля. Движение всех точек автомобиля определяется движением продольной оси, а движение управляемых колес задается кинематической схемой рулевого привода и углом поворота рулевого колеса.

В связи с этим можно рассмотреть движение несколько упрощенной системы, где поворот управляемых колес заменен поворотом оси с центром, лежащим на продольной оси автомобиля. Поворот управляемой оси характеризуется углом поворота вектора скорости vn или v3, который вращается совместно с управляемой осью. Угол поворота вектора скорости зависит от угла поворота оси и угла увода рг = <хг±6г (знак приннма-ют в зависимости от направления боковой силы на оси). При известной поступательной скорости автомобиля вектор скорости

В случае, если шины в боковом направлении достаточно жесткие, со0= (va/L) (ап + а3), т. е. переносная угловая скорость зависит от поступательной скорости автомобиля, его базы и суммы углов поворота управляемых осей.

Легко представить, что переносное и относительное вращения происходят вокруг параллельных осей, перпендикулярных плоскости чертежа. Это положение позволяет при рассмотрении неустановившегося поворота использовать теорему теоретической механики о сложении вращений вокруг параллельных осей. Рассмотрим два случая: относительное и переносное вращения направлены в одну сторону; относительное и переносное вращения направлены в противоположные стороны и угловые скорости не равны между собой.

Для первого случая возьмем положение теоремы о том, что центр абсолютного вращения лежит на отрезке, соединяющем центры относительного и переносного вращений. Расстояние от центра абсолютного вращения до центров относительного и переносного вращений обратно пропорционально угловым скоростям соответствующего движения. Величина абсолютной угловой скорости равна арифметической сумме величин относительной и переносной угловых скоростей.

Для второго случая положения теоремы следующие. Центр абсолютного вращения лежит на продолжении отрезка, соединяющего центры относительного и переносного вращения, за тем из них, которому соответствует большая угловая скорость. Расстояния также обратно пропорциональны угловым скоростям.

Абсолютная угловая скорость равна разности большей и меньшей угловых скоростей. Направление абсолютного вращения совпадает с направлением того вращения, которому соответствует большая угловая скорость.

При входе в поворот направление относительной скорости передней управляемой оси или группы передних осей совпадает с направлением переносной скорости.

Относительная скорость является функцией скорости поворота рулевого колеса, задаваемой водителем.

Направление боковой силы определяется положением мгновенного центра абсолютного вращения. Эта сила направлена от центра переносного вращения и является дополнительной боковой силой, вызванной неустановившимся поворотом.

При выходе из поворота направление относительного вращения не совпадает с переносным, при этом, как правило, (й0>(йп, поэтому мгновенный центр поворота на основании теоремы будет лежать в точке 0"ПА, а абсолютная скорость

Боковая сила, приложенная к передней группе управляемых осей, при выходе из поворота имеет то же направление, что при входе в поворот. Очевидно, в том и другом случае дополнительная боковая сила будет по направлению-совпадать с боковой силой при установившемся повороте.

На задней группе управляемых осей при входе в поворот правление относительного вращения не совпадает с переносным, При этом в самом начале поворота, когда угловая скорость ворота автомобиля (о0=0, а относительная угловая скорость поворота соз относительно продольной оси имеет конечное значение, очевидно, что (U0<CU3, а затем по истечении определенного времени, когда со0 возрастет до определенного значения, водитель уменьшит интенсивность поворота рулевого колеса, значение соз начнет снижаться и положение изменится: сй0>а>з. Тогда с теоремой в начальный период поворота мгновенный центр поворота будет лежать в точке 0'3А, I дольной осью по отношению к центру поворота Оо:

Боковая сила направлена к центру Оо. В последующем, когда ©о станет больше со3, мгновенный центр поворота переместится в точку 0"зА и дополнительная боковая сила поменяет направление на противоположное — направлена от центра. Абсолютная скорость входа в поворот происходит изменение направления боковой силы. Изменение знака боковой силы будет создавать в контакте шины с опорой ударную нагрузку. Эта особенность отрицательно влияет на устойчивость движения, и проявляется при применении задних управляемых колес. Такого явления можно избежать, если не допустить в самом начале поворота, когда со0 еще мала, выхода мгновенного центра вращения задних колес 0'3А за пределы точки Оз. Для этого, очевидно, надо начать поворот автомобиля, используя только передние управляемые колеса, чтобы соо>0 при нулевых значениях со3 относительной скорости поворота задних колес. А затем, когда на задних колесах возникает боковая сила, можно начать их поворот, причем так, чтобы со3< <со0. В этом случае изменения направления боковой силы не происходит и причина возникновения неустойчивости движения будет устранена. Такова теоретическая посылка возможного направления обеспечения устойчивого движения, которая в конструктивном исполнении рассмотрена ниже.

Это вторая особенность, появляющаяся с применением задних управляемых осей, которая также может отрицательно влиять на устойчивость движения.

Изменение направления боковой силы на управляемой оси в начальный момент входа в поворот определяет невозможность ее стабилизации обычными конструктивными мерами (например, наклоном шкворня). На этой оси всегда будет появляться дестабилизирующий момент, который снижает устойчивость прямолинейного движения (курсовую устойчивость). Поэтому на автомобилях с задними управляемыми осями возможно появление рыскания, водитель должен быть более внимателен и затрачивать больше энергии на управление. Отмеченный недостаток также требует принятия мер, устраняющих изменение направления боковой реакции на задних колесах и введение новых конструктивных решений, обеспечивающих стабилизацию задних поворотных колес.

Возрастание боковой реакции на задней оси при выходе из поворота может привести к заносу или его увеличению. Это усложняет управление автомобилем. При наличии задней управляемой оси прекращать начавшийся занос наиболее распространенным способом — путем небольшого, но резкого поворота рулевого колеса в сторону заноса нельзя, так как это может увеличить интенсивность и длительность заноса или привести к опрокидыванию автомобиля.

Понять физическую сущность этого явления можно при рассмотрении схемы действия инерционных сил при заносе задней оси и резкого поворота колес в сторону заноса. В этом случае происходит резкое изменение состояния действующих сил в контакте колес с опорой. На передних колесах равнодействующая уменьшится, а на задних увеличится. Передняя часть автомобиля начнет «выкатываться» из поворота, а задняя «вкатываться». В результате начавшийся занос будет прогрессировать. На таких автомобилях начавшийся занос надо гасить путем резкого снижения скорости движения торможением двигателем и умелым пользованием тормозными системами. Коррекцию направления движения автомобиля целесообразно проводить плавным поворотом рулевого колеса. Главное, на автомобилях с передними и задними управляемыми колесами следует не допускать начала заноса, строго соблюдая ограничения скоростей при прямолинейном и криволинейном движении, обычно указываемых в инструкциях по эксплуатации.

Особенности автомобилей с задними управляемыми осями, выявленные аналитически, подтверждены полностью при сравнительных экспериментальных исследованиях, результаты которых приводятся ниже. На основании установленных при проведенных исследованиях закономерностей криволинейного движения таких автомобилей могут быть разработаны конструктивные мероприятия, направленные на повышение устойчивости движения. Предложения по обеспечению устойчивого движения автомобилей с передними и задними управляемыми колесами впервые были разработаны в нашей стране, за рубежом такие работы начаты позже и сейчас проводятся применительно к легковым автомобилям. Специалисты Японии считают, что к 2000 г. легковые автомобили со всеми управляемыми колесами в производстве займут господствующее положение. Высокие показатели поворачиваемости таких автомобилей позволяют более успешно решать проблему «тесноты» городского транспортного потока и безопасности движения на высоких скоростях. С каждым годом в крупных городах все меньше остается свободного пространства, приходящегося на один автомобиль.

Теория криволинейного движения, рассмотренная выше. называет, что главной, определяющей причиной низкой устойчивости автомобилей со всеми управляемыми колесами является активная роль задних управляемых осей в формировании поворачивающего момента. Поэтому, если исключить или уменьшить эту активность задних колес, сделать их пассивными, то движение автомобиля будет устойчивым на всех режимах поворота. Проф. Д. А. Антонов предложил называть передние колеса управляемыми, а задние — поворотными, как не создающими активного поворачивающего момента и только уменьшающими момент сопротивления повороту. Исходя из этих посылок теории, проводились разработки конструктивных решений привода поворотом задних колес.

Как показано выше, для исключения изменения знака угла увода на управляемых колесах задней оси с отрицательного на положительный в самом начале поворота, одной из важнейших причин потери устойчивости, предложен специальный привод управления этими колесами []. Привод задних колес должен обеспечить запаздывание в повороте по сравнению с передними колесами на 0,1 рад (примерно 5 ... 6°) и иметь специальное стабилизирующее устройство, автоматически возвращающее задние колеса в положение, соответствующее прямолинейному движению.

Изменение углов поворота управляемых колес должно происходить в соответствии с зависимостями. Прямая I показывает изменение угла поворота передних управляемых колес. Эта прямая представляет биссектрису координатного угла.

Важно подчеркнуть, что закон изменения углов поворота передних и задних колес должен главным образом обеспечить запаздывание, а не простое отставание поворота задних колес (одновременный поворот с меньшей скоростью). Отставание никакого эффекта на повышение устойчивости не дает и такое мероприятие вредно. Закон изменения углов поворота колес должен обеспечить выполнение главного принципа управления: поворот задних колес должен начинаться только, когда автомобиль войдет в поворот и на задних, еще не повернутых колесах возникнет боковая сила в контакте, направленная в сторону мгновенного центра поворота.

Скорость нарастания угла поворота задних колес должна быть выше скорости передних колес для обеспечения совпадения максимальных углов поворота в одной точке А. Это необходимо для обеспечения кинематики поворота без абсолютного скольжения колес и обеспечения заданного минимального радиуса поворота.

В пределах угла поворота передних колес до 0,1 рад задние колеса должны находиться в нейтральном положении и удерживаться надежно в этом положении специальным стабилизатором. В этом режиме автомобиль имеет только передние управляемые колеса со всеми положительными свойствами по устойчивости движения. Для обеспечения реализации закона поворота колес предложена кинематическая схема рулевого управления. Водитель, воздействуя на рулевое колесо, через рулевой механизм 6 управляет гидроклапаном 7, который управляет потоком жидкости гидроцилиндра 1. Гидроцилиндр / приводит в движение рулевые тяги, в результате поворачиваются колеса передней управляемой оси. Задние колеса управляются гидроцилиндром 2, давление жидкости к которому регулируется золотником 3, связанным с рулевым механизмом через проушину 5 и пружину стабилизатора 4. В пределах угла поворота передних колес 0,1 рад проушина 5 обеспечивает свободный ход тяги. Пружина 4 держит задние колеса в нейтральном положении и не позволяет включать золотник 3 на поворот задних колес. После того, как холостой ход проушины 5 будет ликвидирован, включаются в поворот задние колеса. Конструкцией золотника 3 предусмотрено самопроизвольное его включение при случайном повороте задних колес.

В Японии на опытных образцах легковых автомобилей со все

ми управляемыми колесами проведены исследования с примене

нием электронных устройств автоматической системы управле

ния задними колесами. Автомат работает в зависимости от ско

рости движения и во взаимосвязи с поворотом передних колес.

Вероятно, система обеспечивает такой закон поворота колес зад

них осей, который исключает образование на них активного по

ворачивающего момента на больших скоростях и таким образом

обеспечивается устойчивость движения. Подробного описания автоматической системы управления колесами автомобиля с использованием микроЭВМ в печати пока нет. Однако можно установить, что в основе различных систем управления поворотом всех колес лежит один принцип: при большой скорости движения (более 35 км/ч) задние колеса поворачиваются на небольшой (не более 1,5°) угол в ту же сторону, что и передние, а при малой скорости (паркование автомобиля) — в сторону, противоположную повороту передних колес. Угол поворота задних колес в последнем случае значительно больше. Автомобиль, оборудованный такой системой, может безопасно поворачивать даже при скорости 145 км/ч. Определить, какое направление конструирования привода поворота колес задней управляемой оси является перспективным, можно в результате проведения сравнительных исследований. Пока можно отметить, что первые два мероприятия (введение запаздывания и блокировка привода управления задними колесами) могут при всех прочих условиях вызвать повышенный износ шин передних колес. Японская система обладает недостатками, определяемыми лой надежностью и большой стоимостью.

Как отмечалось, проведение аналитических исследований управляемости и устойчивости многоосных автомобилей даже с применением ЭВМ без больших допущений ввиду сложности явлений невозможно. Кроме того, в настоящее время отсутствуют надежные данные и методы определения упругих характеристик шин, необходимые для исследований с помощью ЭВМ. Все это предопределяет приближенность расчетных данных. Для выявления реальной картины происходящих процессов необходимо проведение экспериментальных исследований на натуре или на механических моделях.

При решении проблемы экспериментальным исследованиям было уделено большое внимание при оценке как характеристик управляемости, так и устойчивости автомобилей. Целью экспериментального исследования сравнительной динамической устойчивости при криволинейном движении четырехосных автомоби- ч. лей было определение влияния неустановившихся процессов, отдельных конструктивных особенностей автомобилей и динамических характеристик устойчивости испытуемых моделей. Одновременно стояла задача проверки правильности полученных выводов аналитической оценки схем автомобилей по устойчивости и поворачиваемости.

Были подготовлены два типа четырехосных смоделированных автомобилей, имеющих различные схемы размещения осей по базе и рулевого управления и приблизительно одинаковые остальные характеристики.

Как видно, соотношение величин, характеризующих статическую устойчивость автомобилей и конструктивные особенности, кроме схем, практически одинаковы. Опытные автомобили были смоделированы на узлах и агрегатах автомобиля «Татра Т-813». Была предусмотрена возможность изменения продольного положения центра масс груза в обе стороны от центра симметрии на 400 мм, что использовалось для экспериментальной оценки влияния положения центра масс на устойчивость.

Испытания проводились на специальной бетонной площадке, которая имела разметку траекторий движения автомобиля. Траектории включали прямолинейные и криволинейные участки в виде окружностей, касательных к прямолинейным. Радиус окружности был принят 25 м и подобран на основании пробных заездов. Для многоосных автомобилей меньшие радиусы не пригодны по условию невписываемости автомобилей в траекторию, а большие радиусы требуют больших скоростей, что усиливает опасность проведения эксперимента.

На прямолинейном участке длиной 250... 300 м проводился разгон автомобилей до установленной начальной скорости входа в поворот. На начальном участке длиной 50 м скорость поддерживалась постоянной. При движении водитель направлял левое переднее колесо по размеченной траектории, обеспечивая постоянство заданной скорости. Скорость изменялась ступенями от 25 км/ч до потери автомобилем устойчивости или управляемости. Ширина полосы движения была 3,5 м и соответствовала ширине полосы движения на дорогах категорий I... III

Макеты были оборудованы приборами и приспособлениями

Для замера скорости движения, бокового ускорения в центре

масс и над передней и задней осями, момента отрыва колес от

дороги, момента начала заноса задней части макета, отметчиком

траектории движения центра передней и задней осей, угла крена

подрессоренной части и специальным страховочным устройством, представляющим собой дополнительную внешнюю опору. Опора была установлена на забегающую сторону в плоскости центра масс. Масса страховочного устройства включалась в общую массу автомобиля и уравновешивалась смещением груза в противоположную сторону.

При экспериментах проводилась киносъемка, отдельные моменты фиксировались рапидной съемкой. Результаты эксперимента оценивались двумя показателями: скоростью входа в поворот, при которой на определенном этапе происходила потеря . устойчивости или управляемости, и боковым ускорением в центре масс при потере устойчивости.

Экспериментальное исследование показало, что характер потери устойчивости двух макетов, отличающихся конструктивными схемами, при криволинейном движении по заданной траектории совершенно различен. Макет № 1 теряет устойчивость из-за появления заноса на круговой траектории, усиливающегося при выходе из поворота и с увеличением скорости. Начало заноса отмечается при скоростях 30... 35 км/ч, а на скоростях 35... 45 км/ч занос заканчивается разворотом автомобиля вокруг передней оси с возможным в последующем отрывом колес одной стороны от дороги. Полное опрокидывание наблюдалось при скоростях 45 ... 50 км/ч после интенсивного заноса. Блокирование подвески средних колес качественно поведения автомобиля не меняет и повышает устойчивость от опрокидывания (почти в 2 раза) благодаря уменьшению крена подрессоренной части.

Сравнительные испытания макета с блокировкой дифферен

циалов показали, что общий характер поведения автомобиля не

меняется—он также теряет устойчивость от заноса задней ча

сти. У макета с блокировкой дифференциалов привода мостов

начальные скорости заноса уменьшаются. Усиление заноса и

разворот автомобиля при выходе из поворота можно объяснить

влиянием неустановившегося процесса, рассмотренного выше.

При наличии рулевого привода на задние колеса испытывав-

шегося макета возникают поперечные колебания автомобиля в

горизонтальной плоскости. Кроме того, всякий резкий поворот

рулевого колеса в сторону нейтрального положения увеличива

ет боковые реакции на задних колесах. В некоторых случаях это

вызывает возрастание суммарной боковой силы, действующей на

автомобиль. Такое возрастание мо

жет достигать 20...30% и по време-

ни длится около 1 с. Объясняется

это явление изменением траектории

движения задней оси в переходном

процессе и появлением дополнитель

ных сил инерции, совпадающих по

направлению с силами инерции, воз

никающими на участке траекторир

постоянной кривизны

Подтверждение этого положения

может быть проиллюстрировано р

зультатами расшифровки осцилло

граммы эксперимента

Следует отметить, что потеря устойчивости макета № 1 наступает при реально возможных в эксплуатации условиях и режимах движения. Скорость 30 ...35 км/ч и радус поворота 25 м на обычных дорогах вполне вероятны. Снижение сцепных качеств по сравнению с бетоном будет приводить к заносу на больших радиусах поворота при меньших скоростях.

Макет № 2 в тех же условиях теряет устойчивость из-за опрокидывания на круговой траектории при скоростях 45 ... 46 км/ч. Заноса перед опрокидыванием не наблюдалось. Изменение положения центра масс груза по продольной оси в пределах 800 мм влияния на характер потери устойчивости не оказывало. Опрокидывание (а не занос) сохранилось. Незначительно изменялись начальные скорости опрокидывания и менялась последовательность отрыва колес: при смещении центра масс вперед сначала отрывались задние колеса, а затем передние, при смещении центра масс назад последовательность менялась — сначала отрывались передние колеса. Во всех случаях скольжения задних осей не наблюдалось.

Изменение начальных скоростей потери устойчивости объясняется влиянием положения центра масс на соотношение углов увода передних и задних осей. Это приводит к изменению кривизны траектории движения продольной оси автомобиля и определяет нарастание боковой силы, приводящей к опрокидыванию.

Отмечена худшая вписываемость в поворот при скоростях, близких к соответствующим потере устойчивости, в результате того, что по физическим возможностям водитель не успевает поворачивать рулевое колесо для следования по заданной траектории и автомобиль, может быть выброшен за пределы полосы движения. В реальных условиях это заставит водителя снизить скорость и опрокидывания может не произойти.

Макет № 1 вписывается в полосу движения лучше. Это объясняется схемой управления. Изменение радиуса поворота при той же скорости поворота рулевого колеса большее, и автомобиль лучше следует заданной траектории. Выход из полосы движения происходит на скоростях, превышающих скорость, соответствующую потере устойчивости. Следовательно, соответствующего предаварийного сигнала автомобиль не имеет. Основной причиной выхода из полосы движения является занос, в результате чего автомобиль разворачивается вокруг передней оси и становится поперек полосы движения.

Одним из возможных способов улучшения устойчивости автомобиля со схемой рулевого управления 1—00—4 является введение в его конструкцию механизма или устройства, позволяй щего блокировать рулевой привод задней оси и осуществлять переход к схеме управления 1—00—0.

Исследование влияния блокировки на показатели устойчивости проводилось при неустановившемся криволинейном движении по указанной выше методике. Основными режимами движения были:

вход в поворот, т. е. переход от прямолинейного движения к круговому с радиусом 35, 30 и 23,5 м (по переднему внутреннему по отношению к центру поворота колесу);

выход из поворота, т. е. переход от кругового движения по траекториям с указанными радиусами к прямолинейному;

маневр «переставка», т. е. объезд неожиданного препятствия по траектории, близкой к синусоидальной (длина переставки 25, 20 и 15 м).

Исследования показали, что при входе в поворот, а также в начальной фазе маневра «переставки» наблюдается изменение направления боковой реакции, о чем свидетельствует изменение направления ускорения над задней осью ( 65). При этом ускорение, действующее первоначально в сторону поворота автомобиля, достигает 1 ... 1,5 м/с2. При блокировке привода упр; ления задними колесами такого явления не наблюдается, и ускорение W3 при движении по переходной кривой меньше на 20 °/о, а при маневре «переставка» — на 45 ... 50 °/о-

В качестве основного оценочного параметра, характеризующего устойчивость движения автомобиля, было выбрано з ние предельной скорости, с которой автомобиль может двигаться в заданных условиях без потери управляемости и устойчивости, фиксируемой по началу заноса (скольжению) задней оси или по невписываемостн в заданный коридор движения.

Исследования показали, что введение блокировки рулевого привода колес задней оси приводит к увеличению предельных скоростей движения, причем это увеличение тем значительнее, чем больше радиус R круговой траектории и длина L «переставки». При уменьшении коэффициента сцепления ф значения предельных скоростей для обеих схем снижаются, но качественное соотношение между ними остается тем же. Кроме того, введение блокировки рулевого привода колес задней оси приводит не только к количественному изменению оценочного показателя устойчивости, но и к качественному изменению поведения автомобиля при достижении предельных скоростей: при формуле управления 1—00—4 устойчивость движения теряется из-за заноса задней оси, а при схеме 1—00—0 — невписываемостью в поворот (сносом передней части автомобиля).

На  66 можно выявить области отрицательного влияния блокировки на предельную скорость. При входе в поворот с р, диусом круговой траектории менее 20 м и при совершении маневра с длиной «переставки» менее 15 м применение блокиро] ки рулевого привода колес задней оси может в определенных условиях привести к уменьшению предельных скоростей движения, При этом значение предельной скорости будет определяться HI вписываемостью автомобиля в заданный коридор, что имело место при данном эксперименте (ипР на графике не приведена).

Таким образом, при введении блокировки рулевого привода задних колес в большинстве эксплуатационных условий повышаются предельные скорости движения без заметного ухудшения управляемости.

В связи с тем, что введение запаздывания в рулевой привод задних колес можно рассматривать как частичную блокировку в начальный период поворота, все полученные положительные результаты при блокировке обусловлены конструктивными мероприятиями, обеспечивающими запаздывание.

Для сохранения высоких показателей поворотливости и поворачиваемое, присущих автомобилю с передними и задними управляемыми колесами, система блокировки рулевого привода колес задней оси должна предусматривать возможность его включения и выключения в зависимости от условий движения. Задняя управляемая ось должна использоваться лишь при движении с малыми скоростями и при поворотах с малыми радиусами. Испытывая макет с включенной и выключенной задней управляемой осью в одних и тех же условиях, удалось установить влияние использования управления задней осью на устойчивость прямолинейного движения и на утомляемость водителя при управлении автомобилем.

Для сравнительной оценки устойчивости и утомляемости за эталон была принята работа, затрачиваемая водителем на управление автомобилем на мерном прямолинейном участке р( ной дороги длиной 1 км. За единицу работы была принята условная величина, пропорциональная действительной работе и равная работе одного поворота рулевого колеса на 1 °. Определяя число и углы поворотов рулевого колеса на мерном участке специальным прибором, можно подсчитать условную общую работу при данной скорости движения автомобиля.

Экспериментальная зависимость работы водителя от скорости для различных четырехосных автомобилей. Автомобиль с задней управляемой осью требует большей затраты работы, чем автомобиль с одними передними управляемыми колесами. Для управления одного автомобиля, имеющего ту или другую схему, при равных сопротивлениях на рулевом колесе, обеспечиваемых гидроусилителем, требуются различная работа водителя — разница составляет 25 ...30%.

Установлено влияние технического состояния и зазоров рулевого привода. Увеличение зазоров в сопряжениях ухудшает стабилизацию управляемых колес и увеличивает работу водителя, затрачиваемую на управление автомобилем.

Были получены данные по оценке управляемости модели ше-стиосного автомобильного крана с двумя схемами рулевого управления (см. гл. 1). Управляемость модели оценивали при движении по смоделированным дорогам различных категорий и состояния. Определялись возможности маневра на перекрестках дорог, разворота для движения в обратном направлении, вписы-ваемость в дорожные закругления,, управляемость на дорогах с твердым и размокшим грунтом, при наличии колеи и без нее и в других условиях.

Количественными характеристиками могут служить минимальный радиус поворота на твердой ровной поверхности, габаритный коридор и усилие на рулевом колесе при повороте на месте и в движении. Полученные данные позволяют считать (при пересчете на натуру), что минимальный радиус поворота 17... 18 м при габаритном коридоре не более 6 м является достаточным для обеспечения удовлетворительной поворачиваемости и поворотливости длиннобазных многоосных автомобилей при движении на дорогах центральных регионов страны. Для горных районов эти показатели поворачиваемости недостаточны. Полученный вывод подтверждается данными, полученными для минимальных радиусов поворота автомобилей за рубежом.

При введении дополнительного управления задней оси улучшаются показатели поворачиваемости: радиус поворота снижается на 2,9 м; габаритный коридор практически не изменяется.

 При наличии этой управляемой оси уменьшается число операций, которые необходимо совершить при маневрировании и управлении автомобилем. Однако при использовании задней управляемой оси усложняется конструкция рулевого управления.

Определение устойчивости прямолинейного движения макета проводилось также по величине условной работы водителя на мерном участке длиной 1 км динамометрической дороги [2]. Наличие задней управляемой оси снижает устойчивость при прямолинейном движении. Однако это снижение незначительно (6 ... 8 %), поскольку в тележке располагаются еще две неуправляемые оси, которые стабилизируют движение и значительно локализуют дестабилизирующее влияние задней управляемой оси.

Все это указывает на допустимость введения дополнительной задней управляемой оси в шестиосном автомобиле, если невозможно обеспечить требующиеся характеристики поворачиваемости одними передними управляемыми осями. Следует отметить, что увеличение числа осей автомобиля благодаря возрастанию момента сопротивления повороту снижает вредные последствия применения задних управляемых осей. Наиболее ярко эти последствия проявляются на трех- и четырехосных автомобилях, на которых необходимо обязательно применять привод поворота задних колес, что обеспечивает устойчивое движение автомобиля.

Важные эксплуатационные свойства поворотливости, поворачиваемости, управляемости и устойчивости движения названных групп многоосных автомобилей в настоящее время изучены еще недостаточно. В технической литературе практически отсутствуют результаты исследований этих свойств. Материалы, полученные для сочлененных тракторов, на сочлененные автомобили могут быть распространены не полностью из-за разницы скоростных режимов и характеристик шин, которые существенно влияют на рассматриваемые свойства.

С определенными ограничениями разработанная теория поворота гусеничных машин может быть распространена на малогабаритные автомобили, которые, как указано в гл. 1, совершают поворот по тому же принципу. Существенные поправки в эту теорию надо вносить для учета влияния характеристик широкопрофильных эластичных шин. Каждое свойство по каждой группе автомобилей заслуживает самостоятельного глубокого рассмотрения и исследования. Ниже в постановочном плане рассмотрим особенности свойств сочлененных и многоопорных многоосных автомобилей.

Сравнение общих уравнений криволинейного движения многоосного автомобиля с жесткой рамой [] с полученной выше системой уравнений сочлененного автомобиля позволяет отметить их общность и однородность по составу постоянных и переменных величин. Эта общность уравнений дает основание полагать, что закономерности изменения характеристик поворотливости, поворачиваемости, управляемости и устойчивости сочлененных автомобилей будут такие же, как и у автомобилей с жесткой рамой. Разница только в том, что у сочлененных автомобилей в качестве задающих параметров выступают не углы поворота колес, а углы складывания секций. Из-за отсутствия управляемых колес моменты сопротивления повороту секций с тем же числом осей будут больше, чем у автомобиля с жесткой рамой.

Для подтверждения отмечаемой общности для примера приведен расчетный график изменения радиуса поворота в зависимости от углов поворота (складывания) при статическом повороте четырехосных автомобилей трех различных схем, имеющих практическое применение в настоящее время.

График показывает одинаковый характер изменения радиуса поворота у всех автомобилей. Ограниченность    максимального угла поворота управляемых колес у жесткорамных автомобилей (точка А) не позволяет получить предельных минимальных радиусов поворота, преимущество сочлененной схемы неоспоримо.

Теоретически и практически наиболее эффективной по характеристикам поворачиваемое является схема сочлененного автомобиля (при всех прочих равных условиях) со всеми управляемыми колесами и системой складывания секций.

Применение системы поворота складыванием улучшает показатели поворачиваемости сочлененных автомобилей в различных условиях и на всех режимах движения. Сочлененные автомобили могут иметь хорошие вписываемость и маневренность в стесненных условиях, эти показатели могут быть даже выше, чем у автомобиля со всеми управляемыми колесами. Однако для сочлененного автомобиля, особенно для автомобиля прицепного типа, характерна недостаточная устойчивость прямолинейного и криволинейного движения по тем же причинам, которые были рассмотрены выше для жесткорамного автомобиля с задними управляемыми колесами. Недостаточная устойчивость движения сочлененных автомобилей отмечается в технической литературе и подтверждается практикой их эксплуатации, однако физические процессы этих явлений, количественные показатели, характеризующие неустойчивость движения, изучены недостаточно.

Основываясь на этом, можно предположить, что у сочлененного автомобиля при входе в поворот на задней секции, как и у обычного автомобиля на задней группе задних управляемых колес, возникает переменная по направлению и значению боковая сила. При выходе из поворота боковая сила в начальный момент на задней секции будет значительно больше по сравнению с установившимся поворотом. Эта особенность и определяет неустойчивость прямолинейного движения. На задней секции всегда действует в контакте шин с дорогой знакопеременная боковая сила, которая возбуждает поперечные колебания задней секции вокруг шарнира. Для ликвидации этой неустойчивости движения необходимо принимать специальные меры.

Очевидно, что рассмотренные выше методы повышения устойчивости движения жесткорамных автомобилей с задними управляемыми колесами путем введения системы их блокировки или запаздывания поворота по отношению передних колес для сочлененных автомобилей совсем не пригодны, так как блокировка полностью, а запаздывание частично лишают автомобиль поворачиваемости.

В технической литературе предлагаются методы решения этой проблемы подбором соотношения масс звеньев и расстояния от центра масс до оси поворота. Ясно, что при этом причины возникновения колебаний не устраняются, только изменяется собственная частота колебаний и систему можно вывести из эксплуатационных резонансных режимов.

В условиях эксплуатации соотношение масс звеньев автомобиля— величина переменная, она зависит от степени загруженности секции грузовой платформы. Кроме того, при компоновке автомобиля в процессе проектирования исходить из необходимости изменения частоты поперечных колебаний вряд ли целесообразно. Для обеспечения устойчивости движения на некоторых высокоскоростных сочлененных автомобилях в дополнение к системе управления складыванием применяют одну-две передние управляемые оси. При движении с высокими скоростями система управления складыванием блокируется и этим обеспечивается высокая курсовая устойчивость движения автомобиля. Ясно, что при таком конструктивном решении значительно усложняется конструкция автомобиля. Поэтому оно не получило широкого практического распространения. Вероятно, усилия исследователей и конструкторов должны быть сосредоточены на изы-. екании оптимальной системы поворота сочлененного автомобиля, исключающей или гасящей путем демпфирования возникающие колебания секций.

Для определения направлений решения поставленной задачи рассмотрим принципиальную схему системы, обеспечивающей поворот сочлененного автомобиля методом складывания секций.

Видно  что система включает гидронасос 7 с оборудованием, рулевой механизм 6, связанный   механической обратной связью 5 с двуплечим рычагом 4 и с золотниковым устройством 8. Два гидроцилиндра 9 обеспечивают относительный поворот звеньев около центра 0.

Важным элементом поворотного устройства является распределительная коробка /, назначение которой переключать соединение полостей гидроцилиндра 9 с нагнетающим и сливным трубопроводами при переходе поршня через мертвую точку и этим обеспечивать поворот секций на угол складывания до 90°. Золотники распределительной коробки переключаются системой рычагов 2 в зависимости от положения звеньев. На  70, б показано положение звеньев при подходе поршня левого гидроцилиндра к мертвой точке, при которой шарниры О, Ои 02 располагаются на одной прямой. Рычаг 2 перемещает золотник 3, и назначение полостей гидроцилиндра меняется: напорная полость соединяется со сливной, а сливная полость прямого давления становится напорной.

Рассмотренная система поворота сочлененного автомобиля по структуре аналогична рулевому управлению с гидроусилителем обычного автомобиля. Разница только в том, что механический привод 5 с системой тяг, рычагов и шарниров предназначен только для обеспечения обратной связи между   прицепной секцией и распределителем, который сравнивает задающий сигнал от рулевого управления и сигнал о текущем положении звеньев от рычага 4. При рассогласовании этих сигналов золотник смещается в ту или иную сторону, включая в работу гидроцилиндры. Механическая часть системы работу по повороту секций не производит, ее выполняют гидроцилиндры. Известны системы поворота, в которых для обратной связи использован гидравлический или электрический привод.

Параметры системы поворота во многом определяют свойства поворотливости, поворачиваемое, управляемости и устойчивости. Так, управляемость и устойчивость зависят от передаточного числа рассмотренной выше системы поворота. Для обеспечения хорошей управляемости рекомендуется, чтобы общее передаточное число и=атах/0тах=25.. .33, где атах=10 рад/с — максимально возможная скорость вращения рулевого колеса; 6тах=0,3.. .0,4 рад/с —предельная угловая скорость относительного поворота звеньев по условию опрокидывания или бокового заноса.

Допустимая предельная угловая скорость складывания зависит как от скорости движения, так и от конечного угла складывания 6.

Следует подчеркнуть, что приведенные рекомендации разработаны для двухосных сочлененных автомобилей с шинами большого диаметра и большой жесткости. Поэтому для автомобилей других типов эти рекомендации требуют проверки.

Статистические данные значений углов существующих конструкций автомобилей показывают, что они изменяются в пределах 22.. .90°. Для большинства автомобилей этот угол равен 40.. .45°. Ясно, что выбор оптимального угла складывания звеньев прежде всего зависит от предназначения сочлененного автомобиля, областей и условий его использования.

Многоопорные автомобили. Возможность поворота всех опор автомобиля на 90° (см. разд. 6) создает уникальные характеристики поворачиваемости, несмотря на их огромные размеры. Радиус поворота этих автомобилей может изменяться, как и у гусеничных машин, от 0 до оо, а мгновенный центр поворота может занимать любое положение на горизонтальной плоскости.

На  72 изображены некоторые возможные схемы движения многоопорного автомобиля. Направление движения показано стрелками. Для создания того или иного вида движения автомобиля необходим поворот всех опор по строго заданному закону, исключающему абсолютное скольжение опор и обеспечивающему минимальное сопротивление повороту.

На многоопорных автомобилях соблюдение закономерностей поворота опор, описываемых сравнительно сложными зависимостями, возложено на специальную систему, включающую ЭВМ ( 73).

Система имеет обычное рулевое колесо /, которое валом связано с механическим редуктором 10 и датчиком //, подающим электрический сигнал в блок обработки данных 4, гидротормозом 6, создающим водителю «чувство поворота рулевого колеса». Этот тормоз управляется электронным блоком 5. Программы управления поворотом опор заложены в мини-ЭВМ 3. Ту или иную программу поворота выбирает водитель и включает ее на приборной панели 2, размещенной в кабине. Команды управления опорой по заданной программе передаются через центральный блок обработки данных 4, блок контроля угла поворота опоры 7 на золотниковое клапанное устройство 9, которое управляет работой гидроцилиндра 12, воздействующего на механизм поворота опоры 13 на заданный угол.

Отсчет угла поворота опоры осуществляется потенциометрическим датчиком 8, от которого подаются электрические сигналы в блок контроля 7 и от него на центральный блок 4.

Как видно из описания, система управления является замкнутой, саморегулирующейся, работает в полуавтоматическом режиме. Система, изготовленная из современных микроэлектронных блоков и прецизионных гидроэлементоь, работает надежно, позволяет водителю маневрировать автомобилем с огромным грузом в разнообразных стесненных условиях.