Тема: Законы подвески

Предлагаемый вашему вниманию материал составлен с целью попытки "пролить свет" на столь важный, но не ясный для многих, особенно начинающих, автомобилистов вопрос: ?Как же именно работает подвеска автомобиля??.

Динамика движения автомобиля, зависит в основном от следующих факторов:

    * сцепление колес с покрытием, качественно и количественно
    * конструкция и геометрия подвески
    * вес и его распределение, а также моменты инерции
    * форма и вес кузова
    * мощность мотора и передаточные отношения трансмиссии

Сцепление колес с покрытием.
Сцепление возникает в результате трения между резиновой покрышкой и покрытием трассы. Только благодаря силам трения автомобиль может передвигаться в пространстве. Именно силы трения преобразуют мощность двигателя в кинетическую энергию автомобиля, и они же ограничивают максимально возможные как продольные, так и поперечные ускорения авто.

Различают трение покоя, скольжения и качения. Из школьного курса физики известно, что сила трения в общем случае представляется в следующем виде:

Fтр = uN, где
N - сила реакции опоры
u - коэффициент трения

Трение покоя имеет место в случае, когда контактная поверхность колеса неподвижна относительно дороги. Подобное происходит не только когда колесо в целом неподвижно, но и при качении по поверхности без проскальзывания. При этом сила, возникающая в результате передачи колесу крутящего момента двигателя (сила движения), по своей величине не превышает силы трения покоя (см. рис.1).



Если теперь резко увеличить скорость вращения колеса, то оно начнет проскальзывать и трение покоя перейдет в трение скольжения. В таком случае сила движения (сила тяги) больше силы трения покоя (корректнее - крутящий момент колеса больше чем тормозящий момент силы трения), и колесо при этом "прокручивается".



Трение качения в простейшем рассмотрении никак не участвует в удержании автомобиля на трассе и характеризует количественно энергию, которая тратится при качении колеса по покрытию.

Если первые два вида трения вызваны зацеплением эластичной резины с мельчайшими неровностями поверхности трассы и, в известной мере, силами взаимодействия между атомами трущихся поверхностей, то последний вид - трение качения, является результатом неупругой деформации материалов покрытия и резиновой покрышки.

Упрощенно, на деформацию тратится энергия, которую поставляет двигатель. То есть чем менее упруга резина покрышки, тем большая часть мощности тратится на нагревание окружающей среды.
Если не вдаваться в глубь вопроса, то сила трения покоя всегда больше силы трения скольжения. Ниже приведены значения коэффициентов трения покоя, скольжения и качения для неизвестной резины и незнакомого асфальта - 0.9, 0.85 и 0.025 соответственно. Значения, однако, взяты из одного очень уважаемого учебника "Физика для инженеров".

Таким образом, максимальное сцепление колеса с поверхностью, а значит, и максимальное ускорение автомобиля, имеют место только в отсутствии скольжения (прокручивания) этого самого колеса.
Указанные коэффициенты трения на самом деле, за исключением трения покоя, не есть постоянные величины. Так, коэффициент трения скольжения при очень малой скорости "прокручивания" колеса может быть даже чуточку (на 2-5%) больше коэффициента трения покоя; следовательно, и сцепление колес тоже больше. Далее, с ростом скорости скольжения соответствующий коэффициент становится несколько меньше коэффициента трения покоя. Следует заметить, что диапазон скорости скольжения, при котором трение скольжения больше трения покоя, очень узок. Поэтому пределом сцепления колес с дорогой следует считать все же силу трения покоя.

Трение качения с ростом скорости становится только больше, т.о. большая часть мощности мотора тратится на нагревание покрышек.
Как правило, более мягкая резина имеет лучшее сцепление, чем более жесткая, а резина с протектором, в свою очередь, как правило, лучше чем "лысая". Но есть еще и так называемые "слики", резина которых как бы прилипает к дороге и держит наилучшим образом, но только на чистых непыльных трассах.

Конструкция и геометрия подвески.


Схождение

Если посмотреть на автомобиль во время его прямолинейного движения сверху, то можно заметить, что колеса не совсем параллельны относительно продольной оси. Точнее, передние концы колес немного смотрят внутрь или наружу. Ненулевой угол установки колес относительно продольной оси называют схождением (расхождением); (см. рис.3 и рис.4)


Рис.3 Схождение колес


Рис.4 Расхождение колес

Схождение колес задается равными углами Q1 и Q2, либо разницей расстояний А и В. Подобная установка колес применяется как на передней, так и на задней оси.

Вследствие такой непараллельности на колеса во время движения действуют боковые силы. Причем, в случае схождения, эти силы стабилизирующие, а в случае расхождения - дестабилизирующие.

Рассмотрим пример, когда продольная ось прямолинейно движущегося автомобиля под действием какой-либо возмущающей боковой силы (центробежная сила в поворотах) несколько отклоняется от первоначального положения и автомобиль начинает двигаться слегка боком. (см. рис.5)



а) При наличии схождения (рис. 5а) боковая сила на колесе 1 становится больше, а на колесе 2 - меньше. Т.о. сумма этих сил становится отлична от нуля и стремится поставить колеса в исходное невозмущенное положение.

б) Если же колеса установлены с расхождением, то боковая сила на колесе 4 становится больше чем направленная противоположно сила на колесе 3. Разность этих сил сремится еще больше отклонить автомобиль от первоначального положения.

Таким образом, установкой правильного схождения можно препятствовать раннему заносу передней и / или задней оси.

Установка схождения на обеих осях автомобиля дает очень высокую устойчивость при разгоне и движении по прямым на высоких скоростях. Однако в поворот такой автомобиль входит тяжело и стремится продолжить прямолинейное движение, увеличивая тем самым радиус поворота. Реакция на управление передних колес вялая.

Если же схождение оставить только на задней оси, а передним колесам придать лишь минимальное, почти нулевое схождение, или даже расхождение, то автомобиль станет очень чутким к управлению, даже ?агрессивным?. Однако устойчивость на быстрых прямых станет значительно хуже.

Развал.
Под развалом понимают установку колес, при которой плоскость вращения колеса находится под некоторым углом к вертикальной оси авомобиля (см. рис.6) При этом развал бывает как отрицательный (верхние края колес к автомобилю), так и положительный (верхние края колес от автомобиля). Развал применяется для улучшения бокового сцепления колес с поверхностью при прохождении поворотов. В основе применения развала лежит эффект качения конуса (см. рис.6). Развал измеряется в градусах относительно вертикальной оси.



На практике в основном применяется только отрицательный или нулевой развал. Однако, в некоторых случаях, например на задней оси переднеприводных шасси, полезен и положительный развал. На полноприводных шасси для передних и задних колес угол развала лежит в пределах [-3?...0?], при этом, как правило, развал задних колес более отрицательный, чем передних. Для переднеприводных шасси развал задних колес лежит в пределах [0?...+2?]. Увеличение отрицательного развала по модулю улучшает, а увеличение положительного развала ухудшает боковое сцепление колес.

Кастор

Для стабилизации колеса относительно вертикальной оси и прогрессивного изменения развала при отклонении управляемых колес, а также еще по ряду некоторых причин, описанных ниже, человечество в один прекрасный солнечный день придумало расположить ось поворота колес под некоторым углом к вертикальной оси шасси. Этот самый угол получил название кастор (от англ. castor - колесико для мебели).

Угол наклона оси поворота при этом измеряется либо в градусах, либо характеризуется расстоянием между вертикалью и точкой пересечения осью поворота поверхности.

Для кастора, как правило, используются только положительные углы. Рассмотрим, что же дает такая хитрая установка оси поворота.

Из-за того, что точка контакта колеса (при положительном касторе) с поверхностью лежит несколько позади оси поворота, при отклонении колеса от прямолинейного движения возникают боковые силы, стремящиеся вернуть колесо в начальное положение. Точно так же колесики на ножках мебели сами ориентируются по направлению движения. Т.е. имеет место эффект стабилизации.



Кроме того, если в начальный момент отклонения колес от нейтрального положения при прохождении поворота только внешнее колесо имеет необходимый отрицательный развал, то по мере увеличения отклонения колес в сторону поворота внешнее колесо приобретает еще больший отрицательный развал, а отрицательный развал внутреннего колеса уменьшается или даже становится положительным. Таким образом, кастор благоприятно влияет на сцепление управляемых колес в поворотах.
Есть и еще один плюс. При повороте в одну из сторон одно из колес стремится приподнять шасси, другое же само приподнимается. Таким образом, для поворота колес необходимо не только преодолеть силы трения, но и затратить некоторое количество энергии на приподнимание шасси. Благодаря этому и выше описанным боковым силам водитель может "чувствовать" машину.

Радиус обката.

Для более полного описания геометрии подвески следует упомянуть радиус обката (см. рис.8,9). Радиус обката получается, если ось поворота колеса не пересекает центр колеса в плоскости контакта с поверхностью дороги. Радиус обката может быть как положительным, так и отрицательным и определяется расстоянием между вертикалью и продолжением оси поворота колеса в плоскости поверхности дороги (см. рис.8,9).





Цель подобной установки колеса относительно оси поворота заключается в следующем. Если одно из управляемых колес имеет меньшее сцепление с дорогой, чем другое (пыльный или мокрый асфальт, неравномерная нагрузка), то при торможении из-за неравенства тормозных сил возникает момент, стремящийся развернуть автомобиль относительно вертикальной оси. В случае R<0 колесо, имеющее лучший контакт с поверхностью, стремится повернуться в сторону, обратную направлению разворота, и, тем самым стабилизирует шасси (см. рис.10). Точно такой же эффект стабилизации имеет место и при разгоне на передне- или полноприводном шасси.



Угол Акерманна

Рассмотрим автомобиль, движущийся по окружности постоянного радиуса (см. рис. 11). Из рисунка видно, что внешние и внутренние колеса при подобном движении описывают окружности разных радиусов. При этом оси задних колес совпадают с соответствующим радиусом, а оси передних лежат на разных радиусах и, следовательно, передние колеса повернуты на разные углы. Точнее, внешнее колесо должно быть повернуто на несколько меньший угол, чем внутреннее.



Разность углов поворота передних колес называется углом Акерманна. Нетрудно заметить, что угол Акерманна растет при уменьшении радиуса поворота. Для обеспечения подобного неодинакового поворота колес рычаги поворотных кулаков расположены под определенным углом к продольной оси шасси (см. рис.12)



В идеальном случае угол установки рычагов должен обеспечивать поворот колес на точно определенные углы для предотвращения скольжения передних колес.

Так, увеличение угла Акерманна ведет к смягчению реакции на поворот передних колес. Автомобиль становится более плавным в управлении, мягче и устойчивее проходит повороты.
Уменьшение угла Акерманна делает автомобиль более ?агрессивным? в поворотах. Реакция очень резкая, но скольжение колес плохо сказывается на сцеплении колес с дорогой и может вызвать ранний снос передней оси.

Центр Качания (Roll Center)

Для описания поведения шасси при боковых ускорениях вводится понятие центра качания или центра наклона (Roll Center - анг. или Wankzentrum - нем.). Центр Качания (ЦК) представляет собой воображаемую точку или ось, относительно которой кренится кузов под действием боковой силы. В случае наиболее типичной конструкции подвески автомоделей положение ЦК определяется пересечением продолжений рычагов подвески (см. рис 13).



Направление и величина крена зависят от положения центра тяжести (ЦТ) относительно ЦК и жесткости пружин подвески. Так, в случае, когда ЦТ расположен выше ЦК, направление крена будет из поворота. В противном случае - в поворот.
Любое шасси имеет минимум две оси и достаточно жесткий кузов, который связывает не всегда одинаковые конструктивно переднюю и заднюю подвески. ЦК передней оси совсем не обязательно такой же как у задней. Поэтому крен кузова характеризуется т.н. осью качания, которая получается соединением ЦК передней и задней подвесок (см. рис 14)



Рассмотрим несколько случаев.



а) Верхние и нижние рычаги подвески параллельны друг другу или же их продолжения со стороны кузова просто не имеют общей точки пересечения (рис 15 а). В таком случае ЦК распложен очень низко, а крен в поворотах велик.

б) Рычаги располагаются, как показано на рисунке 15 (б). При этом ЦК лежит довольно близко к ЦТ и поэтому крен кузова мал.

г) Верхний рычаг короче, чем нижний, так, что развал при ходе подвески вверх увеличивается в отрицательную сторону (положительный уменьшается, отрицательный увеличивается по модулю). См. Рис.16 (а).



В зависимости от положения ЦК относительно ЦТ кузов может крениться или в поворот, или из поворота. При этом одна из сторон шасси приподнимается, а другая приопускается. Изменение развала в обоих случаях представлено на рисунке 16 (b) и 16 (c).



Как видно, в случае, когда ЦТ лежит ниже ЦК, отрицательный развал внешнего колеса увеличивается, а отрицательный развал внутреннего - уменьшается. Следовательно, увеличивается и сцепление колес с дорогой. Подобный эффект часто применяется на задней оси для предотвращения раннего сноса. При этом ЦК передней оси лежит несколько ниже ЦТ, и развал передних колес изменяется в сторону некоторого ухудшения сцепления с дорогой. Таким образом, возможно подобрать оптимальные моменты сноса передней и задней осей и повысить тем самым скорость прохождения поворотов.


Пружины и амортизаторы.

Для предотвращения передачи кузову колебаний, вызванных неровностями покрытия трассы, и для улучшения контакта колес с поверхностью дороги применяется упругая подвеска колес. Роль упругого элемента может выполнять рессора, пружина, торсион и т.д. В современной автомобильной практике в основном используются пружины. В линейной области деформации цилиндрической пружины сила сжатия или растяжения пропорциональна абсолютному удлинению пружины.

F = k x, где
F - сила деформации
k - коэфицент жесткости
x - абсолютное удлиннение

Одна из конструкций подвески представлена на рисунке 17. Жесткость подвески зависит от величины коэффициента жесткости и от расположения точек крепления пружины относительно нижнего рычага.



В общем случае жесткость подвески пропорциональна квадрату плеча АВ. Чем ближе к колесу закреплена пружина, тем больше жесткость подвески.
Для гашения колебаний кузова применяются энергопоглощающие элементы - амортизаторы. При наезде на неровность пружина одного из колес кратковременно сжимается и на это тратится энергия. При разжимании пружины энергия сжатия приподнимает один из углов кузова. Так начинается колебание шасси, которое в случае минимального трения в шарнирах подвески может продолжаться довольно долго. Амортизатор частично поглощает энергию сжатой пружины, и тем самым уменьшает амплитуду и частоту колебаний кузова. При использовании амортизаторов, колебания шасси затухают за один, полтора хода подвески.

Наибольшее распространение получили гидравлические амортизаторы. Упрощенно гидравлический амортизатор представляет собой герметичный цилиндр с жидкостью, закрепленный торцом на одном конце пружины. Внутри цилиндра может свободно перемещаться поршень, имеющий одно или несколько перепускных отверстий, через которые перетекает жидкость при движении поршня. Поршень крепится на штоке-толкателе, который через уплотнительные кольца выходит из цилиндра и крепится к другому концу пружины (см. рис. 18).



Энергопоглощающая способность амортизатора зависит от площади перепускных отверстий и вязкости жидкости.

Чем больше площадь отверстий и чем меньше вязкость жидкости, тем меньше энергии поглощает амортизатор, и тем дольше будут затухать колебания шасси.

В идеальном случае настройка пружин и амортизаторов должна производится под конкретную трассу или под конкретное покрытие. Так, на ровной и быстрой трассе используются жесткие пружины, для пересеченной местности необходимы пружины мягкие и большой ход подвески. Для неровной, но быстрой трассы, мягкие пружины уже не подходят, так как возможен пробой подвески, а в поворотах кузов будет недопустимо сильно крениться. Но слишком жесткие пружины не обеспечат требуемого стабильного сцепления с дорогой.

В общем случае, чем жестче пружины, тем меньше кренится кузов в поворотах, но тем хуже сцепление с дорогой, так как идеально ровных трасс не бывает. Жесткие пружины хорошо работают при больших скоростях, а мягкие - наоборот, при маленьких. Поэтому всегда нужно искать оптимум между устойчивостью на скорости и сцеплением при прохождении поворотов.

Кроме того, каждой жесткости пружин соответствует оптимальное энергопоглощение амортизаторами. Например, если пружина жесткая, а амортизатор "слабый", то гашение колебаний будет продолжаться значительное время, а это приводит к неустойчивости движения. Если же пружина мягкая, а амортизатор "жесткий", то на кузов будет передаваться большая часть неровностей дороги, так как амортизатор слишком замедляет сжатие - растяжение пружины. Помимо этого, колеса после наезда на неровности будут с опозданием отслеживать рельеф дороги, а значит, сцепление также ухудшается.

Жесткость передних и задних пружин зависит от распределения веса шасси между осями. Чем больше веса приходится на ту или иную ось, тем более жесткими должны быть пружины и амортизаторы.


(c)