Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Постановка задачи и цели исследования 8
1.1 .Краткий обзор выполненных исследований 8
1.1.1. Стабилизация движения 8
1.1.2. Статистические характеристики 15
1.1.3. Явление "шимми" 19
1.1.4. Управляемость колёсной машины 20
1.1.5. Оценка управляемости движения 25
1.2. Законодательные и потребительские требования 35
1.3.Постановка задачи, цели и общая методика исследования 39
2. Управляемость в режиме подруливаний 46
2.1 . Кинематические особенности движения с периодическим знакопеременным отклонением управляемых колёс 46
2.2.Динамическая модель и основные параметры 55
2.3.Центробежное усилие 58
2.4.Коэффициент увода и боковая жёсткость для колеса, оси и машины.68
3. Расчётное определение результирующих параметров управляемости 77
3.1 .Математическое моделирование 78
3.1.1. Поперечные колебания и параметры резонансного режима 81
3.1.2. Граничные условия управляемости по заносу и опрокидыванию ..82
3.1.3. Боковое смещение 85
3.1.4. Запаздывание реакции машины 89
3.1.5. Динамический коридор движения 90
3.2.Методика расчёта дестабилизирующего момента 92
3.2.1. Анализ конструкционных причин дестабилизации 97
3.3.Оценка управляемости в режиме подруливаний 99
3.4.Численный эксперимент (программа "УКМ") 100
3.5.Конструкционные мероприятия, улучшающие управляемость 108
4. Экспериментальное исследование 126
4.1.Объекты исследований 127
4.2.Определение боковой жёсткости шин 128
4.3. Статистические характеристики угловых перемещений рулевого колеса 135
4.4.Тензометрическое определение силового нагружения рулевых тяг 144
4.5.Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований 161
Основные результаты и выводы 165
Список использованной литературы 173
Приложения 185
- Законодательные и потребительские требования
- Кинематические особенности движения с периодическим знакопеременным отклонением управляемых колёс
- Граничные условия управляемости по заносу и опрокидыванию
- Статистические характеристики угловых перемещений рулевого колеса
Введение к работе
Современное общество неразрывно связано с колёсными машинами (КМ). На них возлагается решение серьёзных задач, эффективность решения которых определяется не только совершенствованием организации применения техники, ускорением создания и внедрения новшеств, но и формированием структуры КМ, наилучшим образом отвечающей общественным потребностям. Ускорение развития КМ может быть достигнуто за счёт осознания специалистами роли теории в обеспечении перехода от малопроизводительных традиционных методов проектирования к современной, качественно новой наукоёмкой технологии их создания. Только такая технология может дать скачкообразный отрыв по качеству проектируемых изделий, в том числе за счёт применения электронно-вычислительной техники [7].
В ряду эксплуатационных свойств КМ при сохраняющейся тенденции увеличения скоростей движения важнейшими показателями качества на любых режимах являются стабилизация и управляемость. Выбор конструктивных параметров машины, обеспечивающих именно эти свойства, повышает активную безопасность эксплуатации и снижает вероятность дорожно-транспортных происшествий (ДТП) на транспортных операциях [24, 29, 79], а также позволяет соблюдать агротехнические требования при выполнении технологических операций в составе тракторного агрегата [80, 88].
По данным ОГИБДД Волгоградской области (отчёты ГИБДД по форме №5 о ДТП за 12 месяцев 1992-2002) ежегодно в среднем 14% (около 400) всех ДТП связано с потерей управляемости на прямолинейном участке, в том числе в процессе манёвра "переставка" по причинам психоэмоционального состояния водителя, метеоусловий, состояния дорожного покрытия, разъезда со встречным транспортом, а также нарушения технических и потребительских правил эксплуатации, например, значительных отклонений давления в шинах, использования различных типов шин, неэффективного распределения массы по салону и багажнику, нарушение углов уста- новки и т.д.
Стабилизация и управляемость КМ в совокупности должны обеспечить уверенность водителя в реализации задаваемого режима движения, исключить самопроизвольное возникновение опасного отклонения от него и сохранить возможность быстрой корректировки с последующей стабилизацией того же режима. Управление КМ с недостаточными указанными свойствами затруднительно, так как машина "рыскает" или уклоняется в сторону и для поддержания необходимого направления движения требует постоянной корректировки, увеличивая нервное напряжение с приложением дополнительных усилий, особенно при толчках и ударах со стороны дороги. Вредна и избыточная устойчивость, так как ограничиваются маневренные возможности, уменьшается чувствительность рулевого управления, а также притупляется так называемое "ощущение дороги", что также приводит к повышенной напряжённости внимания водителя [8, 9, 21, 22, 26, 27, 31, 33, 41, 47, 48, 50, 53, 54, 57, 58, 60, 75, 82, 99].
При движении КМ, как известно, взаимодействуют три фактора динамической системы: "водитель - автомобиль - дорога" (ВАД) [20, 48, 72, 77]. Внешняя среда обычно считается инертной и мало изменяющейся по времени, хотя это утверждение не бесспорно. Мгновенные порывы ветра, разъезд со встречным транспортом, участки скользкой дороги и попадающие под разные колёса одной оси выступы и выбоины и т.п., являясь единичными и случайными факторами, дестабилизирующими движение, практически не поддаются учёту. Таким образом, неустойчивость внешней обстановки вынуждает водителя более напряжённо отслеживать движение КМ с учётом допустимого запаздывания управляющего сигнала.
С точки зрения практических целей при разработке новых КМ, модернизации существующих, а также при выработке рациональных эксплуатационных параметров важнее становится не только причина нарушения управляемости, а реакция КМ на неё и поведение, в том числе, после управляющих воздействий водителя на рулевой механизм с последующей корректировкой заданного до дестабилизации направления движения. Существенным здесь считается влияние психомоторных свойств звена "во- дитель". Однако последние неодно-
5 неоднозначны и нестабильны. И даже состояние одного и того же водителя зависит от дорожной обстановки, усталости, эмоционального состояния, что вызывает трудности при моделировании.
Поэтому предполагается, что стабилизация и управляемость движения КМ должны обеспечиваться конструктивными параметрами самой машины, стабилизируя заданный режим или позволяя быстрый и уверенный переход к другому режиму в зависимости от действия водителя, как управляющего звена, которое при математическом анализе можно заменить упрощённой моделью.
Движение КМ сопровождается чередующимися одно за другим с разным периодом и продолжительностью корректирующими воздействиями водителя на управляемые колёса (УК) через рулевой механизм для исправления действительной траектории от действия внешних и внутренних конструктивных факторов и приближения к задаваемой траектории движения. При этом речь не идёт о каком-то конкретном эксплуатационном режиме, а подразумевается весь их возможный спектр, объединённый названием криволинейное движение со значительным поворотом рулевого колеса, включая манёвр "переставка", и прямолинейное движение.
Основной ролью КМ является перемещение людей и (или) груза, а также технологическая работа агрегатируемого оборудования. Чем быстрее будут реализованы возлагаемые на КМ цели, тем эффективнее окажется её работа. Очевидно, что речь идёт о скорости передвижения, наибольшие из которых, как известно, реализуются при движении с прямолинейным курсовым направлением. И именно по прямой КМ передвигается наибольшее время своей работы. Ряд исследований [26, 35, 49, 51, 52, 64, 71, 82, 86, 91, 97], показывают, что строго прямолинейного движения не существует. Свидетельством тому являются виляние УК, вызывающее поперечные колебания КМ и изменения направления. Даже интуитивно, мы понимаем, что движение по прямой должно сопровождаться постоянной корректировкой рулём для восстановления заданного курса, отклонение от которого может вызывать масса причин. Если рассматривать современные интенсивные потоки движения КМ по дорогам об-
ще го пользования с их постоянными вынужденными "переставками", то вопрос о возможности быстрой корректировки прямолинейного курса после переезда на соседнюю полосу движения становится особенно актуальным.
Итак, очевидно, что обычное прямолинейное движение является неустановившимся режимом и наилучшим образом характеризуется присущими ему периодическими знакопеременными отклонен ими УК около своего нейтрального положения. Обосновав, таким образом, расчётно - теоретических показатели, связанные с указанной особенностью, мы можем давать более точную оценку именно качества управляемости современной КМ, а специальным введением такого режима при больших амплитудах и меньших периодах, имитируя "переходный" режим, связанный с увеличением фактического коридора движения по сравнению с задаваемой кинематикой через рулевой механизм возможно определение граничных параметров корректирующих воздействий по условиям безопасности или Правил Дорожного Движения (ПДД). Более того, рассмотрев основные конструктивные факторы, способствующие стабилизации движения, к которым, прежде всего, следует отнести геометрические установочные параметры подвески УК и факторы дестабилизации, которые, как будет показано, являются следствием несоответствия тех же и других параметров на левой и правой сторонах, возможны рекомендации по повышению управляемости, прежде всего, прямолинейного движения, как наиболее типичного режима с характерным проявлением явления периодических отклонений УК.
Вопросам устойчивости, стабилизации и управляемости в настоящее время уделяется всё большее внимание в литературе. При этом следует неоднозначное толкование различными авторами определений указанных свойств КМ и выделение оценочных показателей для их численных характеристик. Учитывая и признавая, безусловно, научную значимость перечисленных работ, в первую очередь, следует учитывать Правила Европейской Экономической Комиссии ООН (ЕЭКООН), которые содержат единообразные предписания к конструктивным элементам КМ и перечню их свойств, предусмотренных для движения по транспортным магистралям с обеспечением безопасного использо-
7 вания. К указанным Правилам присоединились Япония, США, Канада и другие
(всего 33) страны, что в перспективе может привести к выработке единых международных требований в рамках ООН. Наша страна в 1987 году объявила о присоединении, в 1993 году утверждён ГОСТ Р "Система сертификации механических транспортных средств и прицепов" и с 1 июля 2000 года в форме ГОСТ Р серии 41 объявлен документом прямого действия на территории страны [24].
В работе не ставилась цель охватить весь комплекс вопросов, связанных с управляемостью, тем более на всех режимах движении. Основным направлением являются лишь фрагменты, способствующие более системному и глубокому пониманию рассматриваемых вопросов и на реализацию задач, стоящих перед машиностроением и автомобильным транспортом страны в части повышения качества выпускаемой продукции, сокращения сроков её разработки, повышения эффективности работы и безопасности движения.
Законодательные и потребительские требования
Б.С.Фалькевич [87], характеризуя вначале устойчивость автомобиля как "совокупность его качеств, обеспечивающих движение в требуемом направлении без заноса или опрокидывания1 , называет управляемость одним из качеств устойчивости, "обеспечивающее движение в направлении, заданном водителем". В этом суждении следует усмотреть несколько отличные по иерархии понятия, когда управляемость рассматривается не как самостоятельное свойство. Однако в остальном имеют место те же подходы и приводится то же выражение критической скорости движения.
В.В.Иванов и др. [25] не дают определений устойчивости и управляемости, перечисляя эти качества через запятую, и ограничиваются формулировкой требований к автомобилю "устойчиво сохранять направление движения, не отклоняясь под действием случайных сил, противостоять опрокидыванию и скольжению шин по дороге" и "быть управляемым, легко изменять направление движения по желанию водителя". Такие формулировки следует признать чрезмерно общими тем более, что они слабо предполагают количественные оценочные показатели объявленных свойств. Вместе с тем, заслуживают внимание полученные соотношения, определяющие кинематику движения КМ с оценкой бокового смещения и пути на фазах входа и выхода из поворота, но без учёта эластичности колёс. Рассматривается требуемое соотношение углов поворота УК и отмечается несовпадение за счёт эластичности шин, углов при низких и больших скоростях. В определении поперченной (центробежной) силы учитываются три составляющие: в зависимости от радиуса движения, скорости отклонения УК и ускорения КМ. Приведены те же выражения критической скорости, стабилизирующих моментов в зависимости от углов установки
Д.А.Антоновым [8] существенно глубже разработаны вопросы преимущественно устойчивости, в том числе, многоосных КМ. Он отмечает, что устойчивость нарушается в предельном состоянии управляемости КМ. "Устойчивость обеспечивает "прочность" заданного водителем режима движения и исключает возможность самопроизвольного достижения ... опасных уровней при движении. Управляемость позволяет водителю быстро исправить и ... легко изменять режим движения". Обоснованы уточняющие коэффициенты к коэффициенту увода шины по радиальной, тангенциальной силам, условиям сцепления, бокового наклона к плоскости дороги, давлению воздуха в пневмошине, вертикальной вибрации и др. Выражения критической скорости получены с учётом неустановившегося движения, в том числе, с поворотом.
Д.М.Артамонов и др. [9] уделяют достаточно существенное внимание вопросам устойчивости и управляемости, однако формулировок их не приводят. Отсутствует и характеристика показателей управляемости, хотя в оглавлениях они объявлены, но изложены лишь требования к "обеспечению хорошей управляемости". Заслуживает внимания то, что в выражении центробежной силы вводится слагаемое в функции от скорости поворота УК. Повторяется выражение критической скорости, показанное Б.С.Фалькевичем [87]. Подробно изложен вопрос по расчетному определению параметров стабилизации. Вместе с этим, изложены требования к соотношению углов поворота УК, которое не остаётся постоянным по их углу поворота. Несоответствие расчётному соотношению приводит к предельному повышению боковых сил на УК и потере устойчивости движения в режиме поворота особенно с малыми радиусами.
В.В.Гуськов [82] управляемость понимает как "устойчивость по направлению движения (курсовая устойчивость)". Устойчивость же как отдельное понятие выделяет в продольную и поперечную по опрокидыванию "и по боковому смещению" имея в виду занос. А.С.Литвинов [47, 48] практически не даёт определения управляемости и ограничивается фразой: "... под управлением следует понимать целенаправленную организацию процесса движения", хотя этим вопросам уделяет много внимания и дает их глубокую проработку. Такое определение можно характеризовать чрезмерно ёмким, а потому и не определённым. Устойчивость формулируется как "совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положению автотранспортного средства или его звеньев". Далее приводится ряд оценочных показателей управляемости и устойчивости в соответствии с Правилами ЕЭК ООН.
Л.В.Григоренко и В.С.Колесников [14] называют способность колёсной КМ выполнять криволинейное движение "поворачиваемостью", оцениваемой "двумя свойствами: управляемостью и устойчивостью". Оставляя без обсуждения точность приведённого утверждения, следует согласиться с последующими определениями управляемости как "свойства КМ сохранять ... заданное направление движения или изменять его в соответствии с воздействием на рулевое управление". Устойчивость понимается как свойство "сохранять заданное направление при воздействии внешних сил". При этом отмечается возможность экстремальных условий, которые могут "привести к заносу и опрокидыванию". Это определение устойчивости можно упрекнуть в недостаточном раскрытии его свойств и практически совпадающим с понятием управляемости, хотя в последующем даются понятия, достаточные для их различия. При этом наиболее полно излагаются вопросы, связанные с устойчивостью движения. Приводятся известные соотношения по определению критической скорости прямолинейного движения. Вместе с тем, рассматривая динамический поворот двухосной КМ не выделяются понятия бокового увода колеса и оси, упрощённо оценивается центробежная сила. Поэтому полученные результаты, как и отмечают сами авторы, требуют последующих уточнений методами итерационных расчётов, включая центробежную силу, коэффициенты бокового увода колёс и др.
П.В.Аксёнов [6, 7] предлагает рассматривать управляемость, как совокупность свойств КМ исполнять внешние и внутренние управляющие воздействия, призванные обеспечит целостность и равновесное состояние по законам оптимального управления. При этом под оптимальным управлением понимается управление, в котором обеспечивается необходимая и достаточная степень быстродействия, точность выполнения закона (программы) управления при минимальной затрате управляющего воздействия. Под устойчивостью, по мнению автора, следует понимать свойство КМ сохранять равновесное состояние по всем степеням свободы при воздействии внешних возмущений и срабатывании управляющих связей.
Принципиальным отличием таких определений от перечисленных выше состоит во-первых в том, что рассматривается весь комплекс внешних и внутренних управляющих воздействий на КМ, а не только со стороны водителя; во-вторых., лолно рассматриваются цели управления КМ, не сводящиеся только к управлению величиной и направлением скорости; в-третьих, в определения вводятся понятия и необходимость учёта действия закона оптимального управления в любой управляющей связи; в-четвё ртых, устойчивое равновесие рассматривается во взаимосвязи воздействия возмущений с воздействиями управляющих связей, призванных сохранить равновесное состояние КМ.
Кинематические особенности движения с периодическим знакопеременным отклонением управляемых колёс
В литературе, рассматривающей управляемость КМ, достаточно подробно разработаны вопросы, связанные с прогнозированием движения при задаваемом законе изменения положения управляемых колес с учетом параметров динамической модели, включая оценку распределения масс, коэффициентов увода колес, переменной скорости движения, геометрических характеристик КМ и условий движения при наличии силового воздействия из-за бокового уклона, воздушного потока, а также с учетом условий сцепления и сопротивлению перекатыванию [8, 14, 47, 48, 75, 82, 104]. При этом обычно предполагается изменение направления с переходом от прямолинейного движения к некоторому радиусу. С учетом перечисленных параметров и условий движения можно оценить поворачиваемость по параметрам: радиус поворота и положение его мгновенного центра, боковые, тангенциальные и нормальные усилия, предельная скорость движения без нарушения устойчивости в боковом и продольных направлениях, оценить устойчивость при резком броске КМ в поворот с прогнозированием возможных последствий по затуханию колебаний от того же воздействия. Однако периодическое изменение направления не предполагается и, в лучшем случае, только упоминается возможность такого режима [48, 84].
Например, одним из способов, предлагаемых Международной организацией по стандартизации ISO [5] для оценки поведения автомобиля в движении на переходных режимах является частотная характеристика, а именно длительный синусоидальный вход в поворот, то есть изменение угла поворота рулевого колеса осуществляется по синусоидальному закону. Однако воздействие на руль предполагается не периодическим знакопеременным, а только на одну четверть периода в одну сторону без восстановления прямолинейного курса.
Известными учёными У.Ф.Миллекеном и Д.У.Уиткомом [85] для динамического анализа реакции автомобиля на возмущение предлагается в его качестве использовать синусоидальную функцию с разной частотой. Однако таким образом моделируются не действия водителя, а внешний возмущающий фактор, что несколько иначе отразится на дальнейшем поведении КМ. Применение периодических функций в таком же качестве встречается у многих авторов.
Пожалуй, единственными работами, где периодические знакопеременные повороты руля указываются как сопровождающие прямолинейное движение, а не как отдельные управляющие воздействия водителя, являются работы Л.Л.Гинцбурга. В качестве закона во время экспериментов он также предлагает функцию синуса. Для теоретической оценки приводятся уравнения, позволяющие на основании только амплитуды поворота руля определять запаздывание реакции КМ без возможности построения траектории движения и уточнения допустимого скоростного режима.
При этом все описываемые математические модели (представлены уравнениями движения) не содержат в явном виде оценки жесткости и демпфирующих свойств опорных колес в горизонтальном поперечном направлении. Но если жесткость проявляется в коэффициентах бокового увода, то демпфирующие свойства практически не учитываются. Определение величины радиуса и центробежной силы предполагается выполнять итерационным методом последовательных приближений с уточнениями коэффициентов увода колес.
Все рассматриваемые математические описания движения в горизонтальном поперечном направлении не позволяют выявить амплитудно-частотную характеристику динамической системы с целью последующего расчетно-теоретического обоснования параметров физической модели для улучшения показателей управляемости при периодически переменных углах поворота УК с разной интенсивностью по амплитуде и частоте, хотя именно этот тип движения следует считать наиболее характерным для выявления качества управляемости, то есть точности воспроизведения фактической траектории движения по сравнению с кинематически задаваемой водителем через рулевой механизм. Поэтому считаем, что наряду с рассмотренными, существенно важными показателями управляемости являются те, которые непосредственно оценивают отклонение фактической динамической траектории движения от кинематически задаваемой. Такими показателями могут быть изменение бокового смещения по сравнению с кинематической характеристикой при периодических знакопеременных отклонениях УК в процессе поддержания и сохранения общего прямолинейного направления движения, коэффициент увеличения коридора движения и фазовое смещение (запаздывание по времени или по пройденному пути) реакции КМ на управляющее воздействие водителя.
Этот же недостаток в существующих методах расчёта параметров управляемости легкового автомобиля с использованием программного продукта ADAMS (Горьковский автозавод) высказывает М.Н.Феоктистов, отмечая, что в настоящее время ведутся работы по исследованию АЧХ и ФАЧХ автомобиля как объекта управляемости [89].
Представляется целесообразным, наряду с оценкой ранее перечисленных показателей управляемости, дополнительно выявлять и оценивать резонансную зону угловых отклонений управляемых колес и прогнозировать в этой же зоне изменение радиуса поворота и связанного с ним изменения коридора движения при одних и тех же амплитудах возмущающего кинематического воздействия с отработкой рекомендаций по геометрическим параметрам системы, распределению масс по опорным осям (для загруженного и незагруженного автомобиля) и характеристикам опорных колес. Последовательность расчета оценочных показателей будет приведена в главе 3.7. Предварительно, характеризуя общую методику расчета, можно представить последовательность определений в следующем порядке: направляющим колесам двухосной КМ задаются знакопеременные отклонения и, с учетом только кинематических соотношений, определяется закономерность отклонений курсового угла и бокового смещения. Затем с учетом динамических характеристик при тех же начальных отклонениях колес, определяются оценочные параметры, характеризующие (без потери боковой устойчивости по опрокидыванию и заносу) возможное изменение коридора движения по сравнению с кинематической оценкой траектории и временное или, с учётом скорости движения, линейное запаздывание реакции КМ на управляющее воздействие.
Граничные условия управляемости по заносу и опрокидыванию
Программа "УКМ" написана на языке Delphi 5 (листинг в приложении 1) и работает в системе Windows. В качестве примера и демонстрации её возможностей проведён расчёт автомобиля Renault Laguna II с определением рекомендуемых оценочных показателей и построением ряда графических зависимостей.
На рисунке 24 изображены изменения величин составляющих коэффициента искажения фактической траектории с течением времени. Речь идёт о кинематическом и динамических смещениях. При синусоидальном законе подруливаний с периодом 2 с и амплитудным значением угла поворота руля ±3 максимальное кинематическое боковое смещение (синим цветом) за полупериод на скорости движения 120 км/ч составит 0.183 м.
Амплитуда суммарного динамического бокового смещения (черным цветом) составило 0.163 м. Однако, как и предполагалось, динамические процессы проходят с запаздыванием в данном случае на 0.15 с. Отследим также изменение составляющих динамического смещения.
Установлено, что при недостаточной поворачиваемости, чем обладает, в частности, автомобиль Renault Laguna П (m2/K2 m/K( или 0.0052 0.008) боковое смещение, вызванное изменением кривизны траектории (зелёным цветом) уменьшает кинематическое смещение, а при избыточной - наоборот увеличивает его (см. пунктир на рис.24). Таким образом, складываясь далее со смещением, вызванным колебательным процессом в поперечном направлении горизонтальной плоскости 0.94 м (красным цветом) получаем большее динамическое смещение и соответственно коэффициент искажения траектории движения (2.11 при расположении ЦМ посередине продольной оси против 0.89 для недостаточной - естественной поворачиваемости Renault Laguna II). То есть смещение ЦМ на 0.34 м ближе к задней оси увеличивает искажение фактической траектории от задаваемой примерно в 2.4 раза.
На рисунке 25 приведена зависимость коэффициента изменения фактического коридора Ккор от скорости движения и параметров подруливаний. Очевидно, что с ростом скорости, частоты и угла поворота руля указанный коэффициент возрастает. Например, если на скорости 60 км/ч, когда динамическое смещение незначительно, фактический коридор движения почти равен габаритной ширине автомобиля 2.06 м, то есть коэффициент его изменения равен 0.59, то есть своей минимально возможной величине. При увеличении скорости в два раза до 120 км/ч с периодом управляющих воздействий 2 с и амплитудой угла поворота руля ±5 коэффициент изменения фактического коридора станет 1.7. То есть ширина коридора превысит допустимую ГИБДД (3.5 м) во столько же. Считая предельной величину коэффициента Ккор равной единице согласно рисунку 25 можно рекомендовать ограничения по закону подруливаний. В частности, угол поворота руля на скорости 120 км/ч при той же частоте управления не должен превышать ±5.
На рисунке 26 показано влияние положения ЦМ на предельную или критическую скорость движения до наступления граничных условий по заносу или опрокидыванию (в данном случае заносу осей). Нетрудно догадаться, что смещение ЦМ назад ближе к задней оси снизит указанную скорость. Так для начальных условий поворота руля 0О=±5 с периодом Т0=2 с критическая скорость движения автомобиля Renault Laguna II (доля расстояния от передней оси до ЦМ - 0.375) до наступления заноса задней оси с учётом поперечных колебаний ровна примерно 135 км/ч. Тогда как без учёта колебаний её вообще нет. То
103 есть, возможно движение с любой скоростью. Смещение ЦМ в центр продольной оси (а=0.5) критическая скорость с учётом поперечных колебаний резко снижается до 60 км/ч с наступлением заноса той же задней оси. Чтобы спровоцировать занос передней оси необходимо разогнаться до 165 км/ч. В любом случае критическая скорость по срыву в занос любой из осей без учёта колебаний превышает 250 км/ч. Значительные расхождения в рекомендуемых предельных скоростях (для приведённого примера - 190 км/ч !) только доказывают актуальность учёта возникающих поперечных колебаний в горизонтальной плоскости во время реального движения КМ с периодическими знакопеременными отклонениями УК.
По графическим зависимостям, приведённых на рисунке 27 можно проследить влияние параметров подруливаний на критическую скорость. Важно отметить, что наиболее значимым оказывается угол поворота руля нежели частота управляющих воздействий. Так уменьшение амплитуды подруливаний с 6 до 4 увеличит критическую скорость, определяющую занос задней оси, почти в 2.5 раза, тогда как уменьшение частоты управляющих воздействий в 10 раз увеличит ту же критическую скорость лишь 15 км/ч.
Статистические характеристики угловых перемещений рулевого колеса
Улучшение свойств стабилизации, устойчивости и управляемости движения КМ достигается, в основном, за счёт задаваемых конструктивных параметров и повышения точности и качества изготовления сопрягаемых деталей узлов подвески, рулевого управления, шин. Конструктивные мероприятия предусматриваются в направлении расчётно - теоретического обоснования параметров, обеспечивающих перечисленные выше качества, включая достижения достаточных стабилизационных свойств, уменьшения проявления бокового увода, поперечного крена при значительных поворотах УК. Уменьшение отрицательного влияния бокового увода предполагается обычно за счёт применения дорогостоящих шин, обладающих большей жёсткостью в поперечном направлении. Выше показано, что именно боковая эластичность колёс способствует усилению колебательного процесса КМ в горизонтальном поперечном направлении при периодическом отклонении УК, вызывая боковой увод или "рыскание" с возможным выходом за габаритные пределы, установленные ПДД.
Патентный обзор по классам "Подвесные устройства транспортных средств" (B60G, подклассы 11, 13, 15, 17) и "Самоходные транспортные средства" (B62D, подклассы б, 7, 17, 19, 21, 23, 24, 35, 37) стран мира за 2001 и 2002 года, российских и патентов СССР за 1970-2002 года, реферативных журналов (РЖ) за 1990-2002 года показал, что усовершенствования подвесок касаются в основном областей плавности вертикального хода, геометрии пространственного поворота плоскостей колёс, установочных параметров подвески и др. Разработок по стабилизации прямолинейного движения с одновременным повышением качества управляемости за счёт улучшения свойств подвески немного [128-130]. Можно выделить некоторые наиболее значимые из них.
Для уменьшения бокового увода и обеспечения стабилизации прямолинейного движения обычно используется независимая подвеска КМ на базе амортизационных стоек [128], состоящая из рычага, шарнирно соединённого с направляющими устройствами с возможностью качания в плоскости, параллельной плоскости дороги, и упругих элементов, воспринимающих горизонтальные поперечные усилия. Ось шарнира рычага стабилизирующего устройства расположена позади оси вращения по направлению движения КМ. Однако недостатком подвески является то, что при возникновении резонансных явлений с неуправляемым увеличением амплитудных значений горизонтальных поперечных сил и перемещений с последующим увеличением коридора движения за счёт наличия упругих элементов, воспринимающих указанные силы, детали её конструкции подвержены дополнительным нагрузкам вплоть до разрушения. Это ухудшает стабилизацию прямолинейного движения и снижает надёжность подвески. Кроме того, при криволинейном движении происходит изменение поворачиваемости КМ в сторону избыточной, что ухудшает безопасность движения особенно на больших скоростях, а её многозвенная кинематическая схема снижает надёжность подвески в целом за счёт износа дополнительных шарнирных соединений.
Известна независимая подвеска [129], в которой предусматривается возможность корректировки наклона колёс в вертикальной и поперечной плоскостях в зависимости от боковой силы. Изменение наклона осуществляется в направлении обратном задаваемому повороту и, таким образом, улучшается стабилизация. При этом вместо традиционно жёсткого соединения стойки амортизатора с поворотной цапфой установлен упругий элемент, имеющий возможность перемещения в вертикальной и поперечной плоскостях относительно продольной оси КМ. Недостатком этой схемы является то, что корректировка желаемого направления колёс достигается за счёт дополнительного наклона колеса в поперечной вертикальной плоскости. Это увеличивает неравномерность давлений на протектор колеса с интенсификацией неравномерного его износа и создаёт дополнительные нагрузки на детали подвески, что снижает её ресурс. Кроме того, при указанных пространственных перемещениях плоскости колёс одновременно будет проявляться неучитываемое изменение схождения в зависимости от боковых и вертикальных сил при периодических знакопеременных отклонениях УК для поддержания прямолинейного движения. За счёт упругого элемента, кроме того, возможно возникновение резонансных явлений с неуправляемым увеличением амплитудных значений по боковым силам и перемещениям с сопутствующим увеличением коридора движения, что дополнительно ведёт к ухудшению стабилизации прямолинейного движения и снижает надёжность подвески в целом.
На основе выполненного анализа сформулирована задача - создать независимую подвеску передних управляемых колёс, обеспечивающую улучшенные стабилизационные свойства за счёт непосредственной автоматической компенсации угла увода колеса от действия горизонтальной поперечной силы путём соответствующего поворота того же колеса в сторону сохранения прямолинейного движения. При этом предлагается повысить надёжность подвески за счёт одновременного включения между стойкой амортизатора и поворотной цапфой упругого элемента и демпфирующего устройства, предотвращающего резонансное увеличение горизонтальной поперечной силы при её периодическом изменении. Кроме того, предлагается также исключить склонность КМ к избыточной поворачиваемости за счёт конструкции подвески (рис.62), содержащей пружину, амортизационную стойку, нижний направляющий рычаг, поворотную цапфу, упругий элемент, выполненный в виде полукруга, связанный жёстко с поворотной цапфой в горизонтальной плоскости, проходящей через центр вращения шарового шарнира направляющего рычага соосно колесу. Одной стороной упругий элемент связан жёстко с поворотной цапфой, а другой -с дополнительным рычагом, соединённым жёстко с амортизационной стойкой, к поворотной части которой крепится рулевая тяг. При этом точка пересечения оси поворота колеса с опорной поверхностью расположена позади вертикальной оси по направлению движения КМ. Параллельно упругому элементу установлено трёх - режимное гидравлическое управляемое демпфирующее устройство (ГУДУ) с поворотным вокруг своей оси штоком, имеющим жёстко связанный с ним рычажок, соединённый с перемещаемым элементом шагового электродвигателя, установленного жёстко на дополнительном рычаге.
Трёх - режимное ГУДУ выполнено в виде резервуара с компенсационным газовым объёмом, расположенным в безштоковой части, в рабочую полость которого соосно помещён рабочий поршень с ограничением поворота вокруг своей оси, а торцевые поверхности его подвижно сопряжены с секторными дисками, каждый из которых жёстко связан с поворотным штоком с возможностью поворота вокруг оси рабочего поршня, имеющего клапан и отверстие для сообщения штоковой и безштоковой полостей резервуара.
