Боковые силы, действующие на автомобиль

Управление автомобилем является главной производственной функцией водителя. Основное назначение автотранспортных средств - перемещение грузов и пассажиров в пространстве, поэтому под управляемостью следует понимать целенаправленную организацию процесса движения. При анализе факторов, влияющих на попереч­ную устойчивость автомобиля, необходимо знать величину попе­речной силы, вызывающей занос или опрокидывание автомобиля. В случае движения автомобиля на повороте такой силой является центробежная сила инерции. Для ее определения, рассмотрим схему (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Силы, действующие на автомобиль при повороте

R_xi, R_x2, R_yi, R_y2 — продольные и поперечные реакции дороги на колеса переднего и заднего мостов; Р_и — центробежная сила; Р_у — поперечная составляющая центробежной силы; ρ_ц и ρ₃ — радиусы поворота центра масс и задней оси; θ — угол поворота управ­ляемой оси (приблизительно равен полусумме углов

поворота управляемых ко­лес); М_и — момент инерции автомобиля; γ — угол между радиусом ρ_ц поворота центра тяжести и продолжением оси заднего моста

Для упрощения расчетов примем следующие допущения: автомобиль является плоской фигурой; движется по гори­зонтальной дороге; шины в поперечном направлении не дефор­мируются

На участке дороги 1-2 автомобиль движется прямолинейно, и его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2-3 происходит поворот управляемых колес, и автомобиль движется по кривой переменного радиуса, т. е. по первой переходной кривой. На участке 3-4 по­ложение управляемых колес, повернутых на определенный угол θ, остается неизменным, а радиус R траектории движения сред­ней точки задней оси — постоянным. На участке 4-5, т. е. на второй переходной кривой, водитель поворачивает управляемые колеса в обратную сторону, вследствие чего радиус R постепенно увеличивается. На участке 5-6 автомобиль снова движется пря­молинейно.

При равномерном движении по дуге постоянного радиуса центробежная сила (Р_ц) определяется:

(3.1)

где - полная допустимая масса автомобиля;

- угловая скорость автомобиля при повороте;

- расстояние от центра поворота до центра тяжести автомо­биля.

Вместе с тем

, (3.2)

где V – линейнаяскорость автомобиля.

; (3.3)

. (3.4)

Потеря устойчивости автомобилем особенно опасна при боль­шой скорости, когда движение его близко к прямолинейному. Угол θ при этом сравнительно невелик и можно считать, что tg θ ≈ θ рад.

Таким образом, центробежная сила (Р_ц), действующая на автомо­биль при его равномерном движении, определяется:

(3.5)

Поперечная составляющая центробежной силы (Р_у1) равна:

(3.6)

При равномерном движении (переходные кривые) на автомо­биль действует также сила, вызванная изменением кривизны траек­тории. Поперечная составляющая ( ) этой силы пропорциональна скорости автомобиля и угловой скорости (ω_ук) поворота управляемых колес. Величина этой угловой скорости зависит от скорости движе­ния: чем больше скорость, тем быстрее приходится поворачивать колеса, чтобы вписаться в поворот:

(3.7)

В случае неравномерного движения на автомобиль действует еще и сила (Р_уIII):

, (3.8)

где j - ускорение движения автомобиля.

Таким образом, поперечная инерционная сила (Р_у), вызывающая за­нос и опрокидывание автомобиля при движении на повороте, пред­ставляется как:

(3.9)

Сила Р_у11 действует только в процессе поворота рулевого колеса. При входе автомобиля в поворот сила положительна и вместе с силой она увеличивает опасность заноса и опрокидывания авто­мобиля.

При выходе автомобиля из поворота скорость ω_ук отрицательна и сила частично уравновешивает силу и автомобиль может двигаться с большей скоростью без потери устойчивости.

Сила увеличивается с увеличением угла θ и ускорения j ав­томобиля. Поэтому во время вхождения автомобиля в поворот нарушение его устойчивости более вероятно при разгоне, чем при движении накатом, когда ускорение j и сила отрицательны.

В результате поворота автомобиля вокруг центра тяжести возникает инерционный момент Ми, который пропорционален угловому ускорению и моменту инерции автомобиля.

Поперечная инерционная сила P_у уравновешивается попереч­ными реакциями дороги R_yl и R_vJ на колеса автомобиля. Инерцион­ный момент Ми влияет на перераспределение этих реакций, но так как это влияние на устойчивость автомобиля сравнительно невели­ко, то его можно не учитывать.

Величина центробежной силы определяется углом поворота управляемых колес и скоростью движения автомобиля, в соответствии с формулой (3.6):

при V=20 (км/ч)=5,56 (м/с); θ=5 (град)=0,1( рад):

;

.

Остальные значения определяем аналогично, а их значения заносим в табл. 3.1.

Таблица 3.1- Определение поперечной составляющей центробежной силы , кН

Угол поворота колес, град	Скорость движения автомобиля, км/ч
	1,624	6,3805	14,4425	25,522	39,7346
	3,248	12,761	28,885	51,044	79,4692
	4,872	19,1415	43,3275	76,566	119,2038
	6,496	25,522	57,77	102,088	158,9384
	8,12	31,9025	72,2125	127,61	198,673
	9,744	38,283	86,655	153,132	238,4076
	11,368	44,6635	101,0975	178,654	278,1422

По данным табл. 3.1 строим графики зависимости поперечной составляющей центробежной силы от среднего угла поворота управляемых колес при различных скоростях движения автомобиля (рис. 3.2)

Рисунок 3.2 - Графики зависимости поперечной составляющей центробежной силы от среднего угла поворота управляемых колес при различных скоростях движения автомобиля.

Величина составляющей центробежной силы, вызванной изменением кривизны траектории , определяется скоростью поворота управляемых колес и скоростью движения автомобиля. В реальных условиях эксплуатации угловая скорость поворота управляемых колес грузовых автомобилей находится в пределах 0,01 – 0,1 рад/сек. Исходя из этого, в соответствии с формулой (3.7) определяем :

при V=20 (км/ч)=5,56 (м/с); :

;

.

Остальные значения определяем аналогично, а их значения заносим в табл. 3.2.

Таблица 3.2- Определение , кН

Скорость поворота колес, рад/сек	Скорость движения автомобиля, км/ч
0,01	0,03248	0,06438	0,09686	0,12876	0,16066
0,02	0,06496	0,12876	0,19372	0,25752	0,32132
0,03	0,09744	0,19314	0,29058	0,38628	0,48198
0,04	0,12992	0,25752	0,38744	0,51504	0,64264
0,05	0,1624	0,3219	0,4843	0,6438	0,8033
0,06	0,19488	0,38628	0,58116	0,77256	0,96396
0,07	0,22736	0,45066	0,67802	0,90132	1,12462
0,08	0,25984	0,51504	0,77488	1,03008	1,28528
0,09	0,29232	0,57942	0,87174	1,15884	1,44594
0,1	0,3248	0,6438	0,9686	1,2876	1,6066

По данным табл. 3.2 строим графики зависимости от скорости поворота колес при различных скоростях движения автомобиля (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Графики зависимости составляющей силы , вызванной изменением кривизны траектории при различных скоростях движения от скорости поворота колес.

Сила, вызванная изменением скорости движения автомобиля на повороте , определяется ускорением и углом поворота управляемых колес. Ускорение для автомобиля, составляет от 0,05 до 0,5 м/с². Исходя из этого, в соответствии с формулой (3.8) определяем :

при θ=5( град)=0,1( рад); :

;

.

Остальные значения определяем аналогично, а их значения заносим в табл. 3.3.

Таблица 3.3- Определение , кН

Ускорение м/с2	Угол поворота колес, град
0,05	0,0029	0,058	0,087	0,0116	0,0145	0,0174	0,0203
0,1	0,0058	0,0116	0,0174	0,0232	0,029	0,0348	0,0406
0,15	0,0087	0,0174	0,0261	0,0348	0,0435	0,0522	0,0609
0,20	0,0116	0,0232	0,0348	0,0464	0,058	0,0696	0,0812
0,25	0,0145	0,029	0,0435	0,058	0,0725	0,087	0,1015
0,30	0,0174	0,0348	0,0522	0,0696	0,087	0,1044	0,1218
0,35	0,0203	0,0406	0,0609	0,0812	0,1015	0,1218	0,1421
0,40	0,0232	0,0464	0,0696	0,0928	0,116	0,1392	0,1624
0,45	0,0261	0,0522	0,0783	0,1044	0,1305	0,1566	0,1827
0,50	0,029	0,058	0,087	0,116	0,145	0,174	0,203

По данным табл. 3.3 строим графики зависимости от ускорения движения автомобиля (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Графики зависимости силы , вызванной изменением скорости движения при различных углах поворота управляемых колес автомобиля

3.2 Проходимость автомобиля.

Проходимостью называется эксплуатационное свойство, опреде­ляющее возможность движения автомобиля в ухудшенных дорожных условиях, по бездорожью и при преодолении различных препятствий.

Проходимость делится на профильную и опорную.

3.2.1 Оценка профильной проходимости.

Профильная (продольная) проходимость характеризует возмож­ность преодолевать неровности пути, препятствия и вписываться в требуемую полосу движения.

Большинство единичных показателей профильной проходимости представляет собой геометрические параметры автомобилей и при­цепного состава.

Продольную проходимость автомобилей оценивают по следующим единичным показателям:

1. Дорожный просвет (H₁ = 145 мм)-расстояние от одной из наиболее низко расположенных точек автомобиля (прицепа) до опорной по­верхности; определяет возможности движения по мягким грунтам и преодоления сосредоточенных препятствий (камней, пней, кочек и т.д.).

2. Передний и задний свес ((L₆ = 145 мм, L₉ = 149 мм)-расстояние от крайней точки контура передней (задней) выступающей части по длине автомобиля до плоскости, перпендикулярной опорной поверхности и проходящей через центры передних (задних) колес; влияет на проходимость при переезде через канавы, пороги, кюветы и т.п.

3. Угол переднего и заднего свеса ( , ) -угол между опорной поверхностью и плоскостью, касательной к окружностям на­ружных диаметров передних (задних) колес и проходящей через точ­ку контура передней (задней) части автомобиля таким образом, что все остальные точки контура оказываются с внешней стороны этого угла; характеризует возможность преодоления препятствий с корот­кими подъемами и спусками.

4. Продольный радиус проходимости (R₅ = 2,025 м)-радиус цилиндра, каса­тельного к окружностям, описанным свободными радиусами сосед­них колес, наиболее разнесенных по базе, и проходящего через точку контура нижней части автомобиля таким образом, что все остальные точки контура оказываются с внешней стороны этого цилиндра; ха­рактеризует проходимость по местности с препятствиями гребнистого характера, складками местности, насыпями, буграми.

5. Наибольший угол преодолеваемого подъема (18,7º) -угол подъема, имеющего протяженность не менее двукратной длины автомобиля или автопоезда и ровную поверхность, преодолеваемый автомобилем без использования инерции, нарушений условий нормальной работы агрегатов и безопасности движения.

6. Наибольший угол преодолеваемого автомобилем косогора ( )- ха­рактеризует возможность движения автомобиля по ровному косогору без бокового скольжения колес более чем на ширину профиля шины и без нарушения условий нормальной работы агрегатов и безопасности. Этот параметр не нормирован стандартами.

3.2.2 Оценка опорной проходимости

Опорная проходимость определяет возможность движения в ухудшенных дорожных условиях и по деформируемым грунтам.

К основным оценочным показателям опорной проходимости от­носятся:

1. Сцепная масса (1030 кг)- часть массы, создающая нормальные нагрузки на ведущих колесах, для дорожных автомобилей и автопоездов, рабо­тающих в основном на дорогах с твердым покрытием.

2. Коэффициент сцепной массы (0,58) -показатель определяется отно­шением сцепной массы к полной массе.

К дополнительным оценочным показателям опорной проходимо­сти относятся: удельная мощность, мощность сопротивления каче­нию, мощность сопротивления движению, мощность колееобразования, полная сила тяги, свободная сила тяги, коэффициент свободной силы тяги, характе­ристика которых по содержанию совпадает с показателями и пара­метрами тяговоскоростных свойств автомобиля.

Выделяется 12 конструктивных параметров и показателей:

1. Минимальное давление на грунт

, (3.21)

где - давление воздуха в шине, МПа;

- давление в зоне контакта МПа;

Т.к. = 0,23 МПа > 0,2 МПа, принимаем =0,05 МПа, тогда:

МПа.

2. Дорожный просвет, см.

3. Коэффициент насыщенности протектора, .

4. Высота грузозацепов (глубина рисунка протектора), мм.

5. Коэффициент сцепной массы, = 0,58.

6. Коэффициент блокировки дифференциалов ведущих колес = 0,25.

7. Динамический фактор, при движении автомобиля по ровному асфальтобетон­ному покрытию с максимальной скоростью (156 км/ч) = 0,019.

8. Удельная мощность, :

, (3.22)

кВт/т.

9. Свободный радиус колеса, м.

10. Угол переднего свеса, .

11. Угол заднего свеса, .

12. Продольный радиус проходимости определяем по формуле:

, (3.23)

м.

Обобщенный сравнительный показатель проходимости вычисля­ем по формуле:

, (3.24)

где - коэффициент весомости параметра, суммарное значение =1.Для расчетов значения принимаются по таблице 3.6.

Таблица 3.6 Значения коэффициентов проходимости весомости показателей

0,12	0,15	0,08	0,07	0,15	0,05	0,1	0,07	0,08	0,05	0,04	0,04

3.3 Плавность хода, вибрация, шум.

Основными оценочными показателями плавности хода являются уровни вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов и харак­терных элементов шасси и кузова. Оценка уровня вибронагруженно­сти производится по средним квадратичным значениям ускорений ко­лебаний (виброускорений) или скоростей колебаний (виброскоростей) в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Нормы допустимых виброскоростей, различны для разных частот колебаний. Частоты группируют в октавные поло­сы, каждая из которых определяется средней геометрической величи­ной граничных (минимальных и максимальных) для данной полосы частот.

Основным измерителем вибронагруженности при оценке плавно­сти хода автомобиля служит среднее квадратичное значение ускоре­ний, которое связано со средним квадратичным значением скорости формулой:

, (3.25)

где - среднее геометрическое значение частоты октавных полос, Гц.

Нормы виброскоростей в октавных полосах при длительности ра­бочего дня 8 ч для транспортных вибраций, т.е. вибраций, которые возникают в результате движения различных автомобилей по местно­стям, агрофонам и дорогам, даны в таблице 3.7.

Таблица 3.7 Среднегеометрическое значение частот полос

Средние геометрически значения частот полос, Гц						31,5
Допустимые значения виброускорений, вертикальной	1,1	0,79	0,57	0,6	1,14	2,26	4,49
Допустимые значения виброускорений горизонтальных,	0,39	0,42	0,8	1,62	3,2	6,38	12,76
Допустимые значения вибр оскорости вертикальной,	0,2	0,07	0,02	0,01	0,01	0,01	0,01
Допустимые значения виброскорости вертикальной, дБ
Допустимые значения виброскорости горизонтальной,	0,06	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
Допустимые значения виброскорости горизонтальной, дБ

Вибронагруженность оценивают логарифмическим уровнем виброскорости (в дБ):

, (3.26)

где - среднее квадратичное значение виброскорости в октавной полосе, м/с;

- значение виброскорости, с которой проводят сравнение.

Результаты расчетов сводим в таблицу 3.8.

Таблица 3.8 Результаты расчетов и

Средние геометрически значения частот полос, Гц						31,5
Среднеквадратичное значения виброускорений, вертикальной,	1,256	0,2198	0,0314	0,0079	0,0039	0,002	0,0001
Среднеквадратичное значения виброускорений горизонтальных,	0,3768	0,0942	0,0471	0,0236	0,0118	0,006	0,003
Вибронагруженность вертикальная, дБ	8,4823	8,3596	8,2276	8,1337	8,1175	8,1175	8,1175
Вибронагруженность горизонтальной, дБ	8,3454	8,2727	8,2578	8,2578	8,2578	8,2578	8,2578

На плавность хода и некоторые другие эксплуатационные свойст­ва автомобиля большое влияние оказывают колебания колес и жестко связанных элементов.

К подрессоренным массамотносят:

т_в - масса водителя и пассажиров в кабине;

т_тпд - масса кузова тягача (включает массу полезной нагрузки) и рамы с укрепленным на ней двигателем, агрегатов трансмиссии и управления;

т_ппд - масса рамы полуприцепа с укрепленными на ней элемента­ми (включает массу полезной нагрузки, расположенной на грузовой платформе полуприцепа).

Кнеподрессоренным массамотносятся массы переднего и заднего мостов тягача (т_п1пп и m_п2пп) и моста полуприцепа m_пнп.

Неподрессоренные массы автомобиля:

, (3.27)

где т_зм -масса заднего моста, кг;

m_пм - масса переднего моста, кг;

п - количество колес;

т_к - масса колеса в сборе с шиной, кг.

.

Подрессоренные массы автомобиля:

, (3.28)

.

Как подрессоренные, так и неподрессоренные массы совершают сложные двухчастотные колебания. Двухосный автомобиль имеет че­тыре собственные частоты – две низкие ( и ) и две высокие ( и ).

, (3.29)

, (3.30)

где с_п - жесткость подвески, Н/см;

с_ш - жесткость шин, Н/см.

Характерны следующие соотношения жесткостей (табл.3.1).

Принимаем жесткость всех шин автомобиля с_ш = 420 Н/см и отношение с_ш/с_р1 = 8, с_ш/с_р2 = 10 тогда:

Н/см,

Н/см,

,

,

,

.

В расчетах выразим частоту колебаний подрессорен­ной массы через статический прогиб подвески – перемещение ко­лес относительно кузова за счет деформации упругого элемента под­вески под действием силы тяжести:

, (3.31)

где - статический прогиб подвески, м;

G_i - статическая весовая нагрузка на подвеску данного моста, Н;

- жесткость подвески, Н/м.

В расчетах принимаем коэффициент распределения подрессорен­ных масс = 1 .

Частоты свободных колебаний подрессоренных масс определяют­ся из выражения:

, (3.32)

Техническая частота п_к – число колебаний в минуту:

, (3.33)

Таблица 3.9 Результаты расчета статического прогиба подвески и частот колебаний автомобиля

	4,919879	300,0000	0,50	6,957759	424,2641
	2,200237	134,1641	2,00	3,478879	212,132
	1,63996	100,0000	3,50	2,629786	160,3567
	1,364529	83,2050	5,00	2,200237	134,1641
	1,193246	72,7607	6,50	1,929735	117,6697
	1,073606	65,4654	8,00	1,73944	106,066
	0,983976	60,0000	9,50	1,596219	97,33285
	0,913599	55,7086	11,00	1,483399	90,4534
	0,856441	52,2233	12,50	1,391552	84,85281

Рисунок 3.7 График зависимости собственных частот колебаний автомобиля от статического прогиба подвески

Рисунок 3.8 График зависимости технических частот колебаний автомобиля от статического прогиба подвески

Анализ и выводы по разделу 3

Управление автомобилем Chevrolet Lacetti является оптимальным. Он обладает избыточной поворачиваемостью, что означает не сложное управление автомобиля, а также его способность к лучшему маневрированию. Автомобиль обладает высокой устойчивостью на дорогах. Данный автомобиль из-за улучшенной конструкции ходовой части и большой массы имеет повышенную плавность хода при движении.

4 Анализ конструкции автомобиля.