«Секретная» формула схождения колёс.
Речь пойдет о подборе (вычислении) самого главного угла, из углов установки колёс – угла суммарного схождения колёс конкретной оси. Это самое главное, что должен уметь делать успешный развальщик – устанавливать правильное схождение.
Суть в том, что естественным для колеса условием качения, является качение колеса в направлении, совпадающем с плоскостью вращения колеса.
Если плоскость, в которой вращается колесо (синяя плоскость на рисунке), повернуть на какой то угол относительно направления перемещения колеса (красная стрелка на рисунке), то на оси колеса появится боковая сила, которая будет стремиться изменить направление перемещения колеса (колёсное транспортное средство повернёт в сторону действия этой силы). Если какая то сила будет удерживать повёрнутое колесо в движении на прежней траектории перемещения, то такое колесо будет стремиться проскальзывать в пятне контакта колеса с дорогой. Поэтому, колёса одной оси, колёсного транспортного средства, чтобы они не проскальзывали, должны вращаться, при качении оси, в плоскостях не имеющих угла отклонения от направления перемещения (схождение колёс одной оси должно быть равно нулю или близко от нуля – это условие качения колёс этой оси без проскальзывания этих колёс в пятне контакта с дорогой).
Автомобильные колёса обуты в эластичные шины. Эластичные шины позволяют колёсам катиться без проскальзывания даже при небольшом угле отклонения плоскости вращения от направления перемещения колеса за счёт деформации шины в пятне контакта
Этот угол (угол отклонения, о котором я говорил выше) называется углом увода колеса. Для каждого реального колеса, величина этого угла индивидуальна. Величина этого угла зависит от свойств конкретной шины: 1)высоты профиля шины, 2)ширины пятна контакта, 3)эластичности конструкции шины, 4)давления воздуха в шине, 5)свойств протектора шины (глубина протектора, эластичность резины протектора, характер рисунка протектора и т.д.), 6)температуры шины и дорожного покрытия, 7)типа дорожного покрытия.
Боковая сила, которая возникает на оси колеса при качении колеса с уводом, так же может быть разной, в тех же различных условиях, которые перечислены выше. Поэтому следует ожидать, что два колеса одной оси могут самоустанавливаться, при их качении, под разными углами к направлению перемещения колёс (оси автомобиля). При этом, боковые силы, созданные уводами этих колёс, будут уравновешены друг с другом и с внешними силами воздействующими на данную ось.
Отсюда становится понятно, что минимальные уводы колёс оси следует ожидать, когда схождение колёс этой оси в движении равно нулю. Поэтому, считаю основной задачей развальщика — обеспечение максимально близкого к нулю схождения колёс в движении.
Пока ещё не появились приборы, измеряющие схождения колёс автомобиля в движении. Развальщик, с помощью стенда сход-развала, может измерять УУК неподвижного автомобиля (установленного на стенде). Результат работы развальщика, во многом, зависит от правильности выбора угла схождения колёс конкретной оси конкретного неподвижного автомобиля. Развальщик должен не только точно знать реальное схождение колёс оси, на которой происходят стационарные измерения, но так же развальщик должен уметь предвидеть изменения схождений этих колёс в движении.
Для этого анализа необходима информация об автомобиле: 1)тип подвески колёс данной оси, 2)наличие рулевого управления колёс данной оси, 3)наличие тягового привода (ведущие колёса) на данной оси, 4)состояние шарниров подвески (люфты или излишняя податливость в шарнирах), 5)наличие люфта (податливости) в рулевой трапеции, 6)динамика(характер изменения) схождения колёс данной оси под рабочей весовой нагрузкой («ударное подруливание»)
Как происходит анализ и как производится подбор схождений. Рассмотрим по каждому из пунктов:
1)Тип подвески. Подвески, как известно бывают — зависимые, -«полузависимые» (с пружинной балкой, на связанных рычагах), — независимые.
Если подвеска зависимая, то от неё не следует ожидать какого то влияния на сход в движении (влияние подвески на схождение не учитывается в расчёте схождения данной оси).
В «полузависимой» подвеске, иногда (не всегда) наблюдается незначительное изменение схождения колёс данной оси при весовой нагрузке (учитывается при расчёте схождения данной оси).
В независимой подвеске почти всегда присутствует изменение схождения при реальной езде. Тут бывает несколько вариантов изменения схождения: а)сильное изменение «в минус», б)слабое изменение «в минус», в)нулевое (изменение практически отсутствует), г)слабое изменение «в плюс», д)сильное изменение «в плюс».
2)Наличие рулевого управления. Рулевая трапеция (трёхзвенная или пятизвенная) практически всегда обладает податливостью или люфтом, изменяющим схождение под действием силы сопротивления качению колёс на ходу.
Изменение схождения происходит всегда «в минус» и величина изменения в исправной трапеции обычно составляет около 10 минут
Поэтому, если колёса данной оси управляемые, то в суммарное схождение данной оси всегда добавляется 10 минут положительного схождения.
3)Наличие привода. Если колёса данной оси не ведущие (ведомые), то в суммарное схождение колёс этой оси всегда добавляется 10 минут положительного схождения (исключение составляют только оси с зависимой подвеской и без рулевого управления).
4)Состояние шарниров подвески. Речь идёт о шарнирах независимой подвески, которые обеспечивают расстояние между колёсами. Если эти шарниры (по результатам диагностики подвески)имеют ожидаемую возможность смещения в процессе эксплуатации (например, новы сайлентблоки «усядутся» со временем).
Ожидаемое смещение учитывается в суммарном схождении. (это смещение приведёт к увеличению расстояния между колёсами, значит схождение этих колёс при смещении изменится «в минус», если рулевые тяги расположены позади колёс). (см. видео «диагностика ходовой для сход-развала» и «сход-развал без осмотра»на моём канале)
5)Наличие люфта (податливости) в рулевой трапеции. Этот люфт обязательно должен выявляться при проверке схождения управляемых колёс (в передней оси).
Величина этого люфта(податливость) вычисляется по разности между суммарным схождением колёс данной оси после поворота колёс вправо и суммарным схождением после поворота этих колёс влево.
Поворачивать колёса можно рулём, а можно руками за колесо. Таким образом можно получить несколько различных величин суммарного схождения на одной управляемой оси:
а)если подвести рулём левое колесо к нулю слева (измерить суммарное схождение по правому колесу),
б)если подвести рулём левое колесо к нулю справа (измерить суммарное схождение по правому колесу), в)если руками за колесо подвести левое колесо к нулю справа (измерить суммарное схождение по правому колесу)
г)если руками подвести левое колесо к нулю слева (измерить суммарное схождение по правому колесу)
д)подвести руками правое колесо к нулю слева (измерить суммарное схождение по левому колесу),
е) подвести руками правое колесо к нулю справа (измерить суммарное схождение по левому колесу).
В некоторых автомобилях, все вышеперечисленные шесть способов измерения суммарного схождения, на управляемой оси, дадут различные по величине результаты. Это объясняется тугими шарнирами подвески и рулевого управления и различными податливостями в рулевой трапеции и подвеске. Развальщику все эти измерения нужны для того чтобы получить «коридор» изменения схождения колёс данной оси. Этот «коридор» будет учитываться при расчёте необходимого для данной оси суммарного схождения.
(см. на моём канале ролик «люфт в схождении»)
6)Динамика (изменение) суммарного схождения колёс оси (ударное подруливание). Вычисляется эта динамика, как разность суммарного схождения колёс этой оси под весовой нагрузкой и без нагрузки (при ходах подвески).
Можно загружать автомобиль грузом, пассажирами или повисать на шасси снизу (когда машина стоит колёсами на яме или на трапах подъёмника). Удобно использовать, для загрузки, повисание развальщика на шасси автомобиля. Выбирая место повисания, можно регулировать интенсивность загрузки подвески (чем ближе к бамперу повиснуть, тем сильнее будет загружена данная подвеска). (см. видео на моём канале «сход-развал и ударное подруливание»)
Получив информацию от исследований по вышеперечисленным шести пунктам, развальщик может рассчитать оптимальное суммарное схождение колёс данной оси. Это будет гораздо более точная величина, чем тот коридор, который предлагается производителем автомобиля в заводских рекомендациях. Это схождение наверняка войдет в коридор значений рекомендованных производителем (в «зелёную зону» из памяти стенда). Ели данное значение не входит в коридор рекомендованный производителем, это значит производитель применил схождение способствующее определённой настройке поворачиваемости автомобиля (жертвуя при этом ускоренным износом шин данной оси). Тут вам нужно сделать выбор, что вам более важно: заводские настройки управляемости или максимальная сохранность шин данной оси.
Примеры расчёта необходимого схождения для конкретной оси:
Возьмём переднюю ось переднеприводного автомобиля ВАЗ 21о8. Составим характеристику оси по пунктам описанного выше анализа: 1)подвеска независимая (схождение будет отличаться от нуля ). 2)данная ось имеет рулевое управление (делаем суммарное схождение +10 минут). 3)колёса данной оси ведущие (не нужно добавлять 10 минут положительного суммарного схождения). 4)по результатам диагностики ходовой, изменения расстояния между колёсами не ожидается (не учитываем этот параметр). 5)Люфт (податливость) в рулевом управлении равна 10 минутам (суммарное схождение будет выражаться не одной цифрой, а «коридором»). 6)повисаем на шасси и видим что динамика суммарного схождения при загрузке отрицательная – суммарное схождение меняется при повисании «в минус» на 10 минут (добавляем к схождению +10 минут). Получаем в итоге оптимальное суммарное схождение на данной оси: 10+10-10 = «коридор» от +10 до +20 (минут).
Возьмём переднюю ось заднеприводного автомобиля ВАЗ 2101. Составим характеристику по пунктам описанного выше анализа:1)подвеска независимая (схождение будет отличаться от нуля). 2)данная ось имеет рулевое управление (делаем суммарное схождение +10 минут). 3)колёса данной оси ведомые (добавляем +10 минут суммарного схождения). 4)только что установлены новые сайлентблоки рычагов подвески (добавляем +5 минут суммарного схождения). 5)Люфт (податливость) в рулевом управлении равна 10 минутам (суммарное схождение будет выражаться не одной цифрой, а «коридором»). 6)повисаем на шасси и видим, что динамика суммарного схождения при загрузке отрицательная – суммарное схождение меняется при повисании «в минус» на 10 минут (добавляем к схождению +10 минут).
Получаем в итоге оптимальное суммарное схождение на данной оси: 10+10+5+10-10 = «коридор» от +25 до +35 (минут)
Часто слышу, как суммарное схождение определяют одной цифрой. Например, про суммарное схождение на передней оси ВАЗ 2101 говорят: «+20 минут». Это слишком грубое описание схождения. Люфт (податливость) схождения на автомобиле ВАЗ 2101 составляет, как минимум, 10 минут. Поэтому, описание одной цифрой (+20 минут) может означать несколько вариантов реального суммарного схождения: 1)от +10 минут до +20 минут, 2)от +15 минут до +25 минут, 3)от +20 минут до +30 минут. Из этих вариантов, первый вариант более подходит для переднеприводного автомобиля (на ВАЗ 2101, при таком суммарном схождении, скорее всего будет ускоренный износ шин). Второй вариант иногда возможно применить для ВАЗ 2101, когда динамика схождения под нагрузкой положительная или равна нулю. Третий вариант самый оптимальный для большинства автомобилей этой модели.
Если какой то развальщик хвалится суперточностью своего стенда, но при этом называет одну цифру суммарного схождения (не коридор) и это значение он получил, делая измерения без загрузки и с зафикированным рулём, то не следует воспринимать эту цифру, как реальность. У такого развальщика будет немалый процент поеденной раньше времени клиентской резины (даже если его стенд реально точен).
Вот такой расчёт позволяет найти оптимальное схождение для любой оси конкретного автомобиля. Становятся не нужны всякие там базы данных по углам у разных автопроизводителей. Рассчитанный таким методом угол схождения почти всегда входит в коридор установленный автопроизводителем. Есть только два варианта, когда рассчитанный таким способом угол не входит в заводской допуск («зелёный коридор») – это когда производитель назначил какой то угол для определённой настройки управляемости (но при этом, он сознательно пожертвовал скоростью износа шин) – или когда автомобиль имеет нестандартное состояние (по ударному подруливанию, люфтам, податливости и т.д.).
Сход-развал.Типичные углы установки колес
Углы, определяющие расположение элементов подвески на передней оси транспортного средства:
- Схождение колес (toe-in)
- Наклон колеса или развал (Camber)
- Смещение оси (Set-back)
- Продольный наклон оси поворота (Caster)
- Поперечный наклон оси поворота (King pin или SAI)
- Включенный угол (Camber+King pin)
- Максимальный угол поворота (схождение) внутреннего колеса при полном повороте рулевого колеса налево и направо (Inner full steering lock)
- Максимальный угол поворота (схождение) внешнего колеса при полном повороте рулевого колеса налево и направо (Outer full steering lock)
- Рулевая симметрия (Steering symmetry) или расхождение колёс при повороте.
Углы, определяющие расположение элементов подвески на задней оси транспортного средства:
- Схождение колес (toe in)
- Наклон или развал колеса (Camber)
- Смещение оси (Set-back)
- Линия (угол) движения (Thrust line)
Схождение колес (TOE- IN)
Направление движения
Смотря на автомобиль сверху (см. рис.), схождение колеса можно определить как угол, получаемый между продольной осью и плоскостью, проходящей через центральную линию колеса. Схождение является положительным (закрытые колеса), если продолжение центральной линии колеса пересечется с продольной осью впереди транспортного средства, согласно направлению его движения. Схождение является отрицательным (открытые колеса), если продолжение линии симметрии колеса пересечется с продольной осью позади автомобиля, согласно направлению движения транспортного средства.
Схождение (toe-in) одного колеса называется раздельным схождением (PARTIAL TOE-IN)
Суммарное схождение (TOTAL TOE-IN)- это сумма левого и правого раздельных схождений колес на одной оси. Несмотря на то, что базовые определения схождения выражаются в градусах, производители автомобилей обычно выражают допустимые значения данного параметра в миллиметрах. Выражается раздельное схождение в миллиметрах разницей между двумя измерениями А и В (А-В) и должно быть рассчитано:
Направление движения
Раздельное схождение, выраженное в миллиметрах – это разница между измерением А и измерением В (А-В).
Общее схождение в мм рассчитывается как (D-C).
Реально, измерение схождения в мм не удобно т.к. расчет привязывается к определенным диаметрам колес, а измерение в градусах не связано с необходимостью знать диаметр колес. До середины 80 годов схождение в основном измерялось на передних колесах. В настоящее время для современных автомобилей необходимо учитывать схождение и задних колес т.к . при измерении схождения задних колес происходит определения и реальный продольной оси автомобиля. Продлевая средние линии, проходящие через середину задних колес (вид сверху) мы получаем угол суммарного схождения. Биссектриса, проведенная из этого угла, совместно с реальной продольной осью, проходящий через центры реально расположенных осей передней и задней, составляет угол тяги. Если угол тяги больше 20 мин. Необходимо регулировать схождение на задних колесах.
Схождение проверяется всегда и регулируется для передних колёс изменением длины рулевых тяг.
Развал колеса (Camber)
Развал колеса – это угол, образованный центральной осевой линией колеса и вертикальной линией, проведенной к земле при взгляде на фронтальную сторону автомобиля.
Развал положительный, когда верхняя внешняя сторона колеса повернута наружу по отношению к кузову транспортного средства.
Развал является отрицательным, когда верхняя внешняя сторона колеса повернута внутрь кузова транспортного средства и нулевым, когда ось колеса совпадает с вертикалью. То же относится и для задних колёс.
Развал колеса проверяется всегда. Регулировка развала колёс производится различными способами, в зависимости от марки автомобиля. Некоторые конструкции подвесок автомобилей не предусматривают возможность регулировки развала.
До середины 80 годов большинство автомобилей изготавливалось с положительным развалом, что уменьшало усилие на руле при поворотах автомобиля и упрощало конструкцию рулевого управления. Позже стали изготавливать автомобили с минусовым развалом т.к. отрицательный развал с каждой стороны уравновешивает тягу колеса к центру. Поэтому развал должен быть одинаков с каждой стороны (неважно отрицательный он или положительный). Разница развалов с каждой из сторон не должна быть более 30 мин. При очень большом развале шины сильно нагружаются, происходит нагрев края шины и её повышенный износ. При неодинаковом развале слева и справа, автомобиль тянет в ту сторону, где больший угол развала.
Смещение оси (set-back)
Смещение оси (передней или задней) – это угол, образованный линией, перпендикулярной продольной линии симметрии автомобиля и линии, проходящей через (переднюю или заднюю) ось, соединяющую центры колёс. Например, на передней оси оно возникает при неверной регулировке продольного угла наклона оси колёс.
Смещение оси положительно, когда правое колесо впереди (согласно направлению движения) относительно левого колеса. Оно отрицательно, когда правое колесо позади (согласно направлению движения) относительно левого колеса. Смещение оси также может выражаться в миллиметрах.
Продольный угол наклона оси (Caster)
Продольный угол наклона оси поворота (кастер) — это угол, образованный вертикальной линией, проходящей через центр колеса и перпендикулярный дорожному покрытию и осевой линии стойки.
Транспортное средство в плоскости симметрии автомобиля.
Кастер является положительным, если, продлевая осевую линию стойки к дорожному покрытию, пересекает его впереди колеса соответственно направлению движения (ось поворота наклонена в сторону водителя). Кастер является отрицательным, если продлевает осевую линию стойки по направлению к дорожному покрытию и перекрывает его в точке, находящейся позади колеса соответственно направлению движения (ось поворота наклонена от водителя) и нулевым, если ось полворота совпадает с вертикалью.
При положительном продольном угле наклона оси поворота при движении транспортного средства возникают силы, стремящиеся направить колёса в прямолинейное движение. Неотрегулированность данных углов приводит к неустойчивому движению автомобиля.
90% автомобилей кастер положительный. Приборы 3D единственные, которые могут измерять эти углы напрямую (головочные стенды вычисляют их после измерения развала). Продольный наклон всегда должен быть одинаковый с каждой стороны, чтобы автомобиль «не уводило», даже если он не в допуске. У некоторых автомобилей кастер регулируется, у некоторых нет, поэтому их нужно отрегулировать так чтобы они были одинаковы с двух сторон другими методами. При возможности регулировки обычно смещается колесо вперед или назад (вдоль продольной оси автомобиля) если кастер не регулируется так чтобы он был одинаков с каждой стороны – ищем гнутую тягу. Если автомобиль тянет, в какую либо сторону, при его движении, то его тянет в ту сторону, где меньший угол кастера.
Поперечный угол наклона оси (King Pin или SAI)
Поперечный угол наклона оси – это угол, образованный осевой линией стойки и вертикальной перпендикулярной линией, проходящей через точку пересечения осевой линии стойки с дорожным покрытием. Транспортное средство во фронтальной, поперечной плоскости.
Поперечный угол является положительным, если верхняя часть стойки расположена по направлению внутрь транспортного средства. Поперечный угол является отрицательным, если верхняя часть стойки расположена по направлению наружу транспортного средства.
Как правило, данный угол является положительным.
Поперечный и продольный наклоны шкворня отвечают за усилие на рулевом колесе. Для того чтобы рулевое управление работало нормально необходимо чтобы углы были одинаковые с каждой стороны. Регулировка поперечного наклона влияет на развал, поэтому необходимо выбирать приоритеты. Регулировка развала более важна, поэтому сначала регулируют развал в допуске, и только потом поперечный наклон. Таким образом, данная регулировка является компромиссной.
Совокупный угол (Included Angle)
Совокупный угол – это угол, образованный центральной осевой линией колеса и осевой линией стойки. Совокупный угол – это просто сумма поперечного угла оси поворота и развала колеса.
Не все производители дают нормирование совокупного угла, т.к. этот угол в основном диагностический.
Расхождение колёс при повороте или рулевая симметрия (Toe in)
Расхождение углов при повороте – разница углов, на которые поворачиваются передние управляемые колёса в поворотах. При повороте транспортного средства управляемые колеса на передней оси производят различную траекторию. Следовательно, внутреннее колесо (ближайшее к повороту) должно быть повернуто больше, чем внешнее. Кроме того, такие значения должны быть симметричны при поворотах направо или налево. Измерение расхождения колёс при повороте производится следующим образом: При повороте рулевого колеса налево измеряется угол, образованный осью внутреннего колеса (рис.слева угол +а) и линией, параллельной продольной оси симметрии автомобиля. При этом внутреннее колесо (левое) повернуто на фиксированный угол 20? (иногда по требованию некоторых производителей автомобилей на 10?) .
Аналогично, при повороте рулевого колеса направо измеряется угол, образованный осью внутреннего колеса (правого) и продольной осью автомобиля. При этом внутреннее колесо поворачивается также на 20? (10?). Обычно рулевой механизм транспортных средств сконструирован таким образом, чтобы внутреннее колесо поворачивалось при вращении рулевого колеса как минимум на 1?÷1?30? больше, чем внешнее колесо, при повороте последнего на 20? Данный параметр используется для оценки центровки рулевого механизма. Внутреннее колесо должно быть повёрнуто больше внешнего на строго определённый производителем автомобиля угол. В противном случае при поворотах транспортного средства наблюдается повышенный износ протектора шин. Нормированное расхождение углов колёс должно быть одинаковым при повороте рулевого колеса налево и направо.
Максимальный угол поворота (full steering lock)
Максимальные углы поворота управляемых колёс – наибольшие углы, на которые могут повернуться колёса при повороте влево или вправо.
Данный угол измеряется почти таким же способом, как и предыдущий угол: поворотом рулевого колеса до предела и измерением углов внутреннего и внешнего колёс. Сначала измерения производят при повороте рулевого колеса налево, затем при повороте направо.
Линия осевого давления (thrust line)
Линию осевого давления (направление тяги) можно упрощенно понимать, как перпендикуляр к задней оси. Это несколько упрощённое понятие, так как не принимаются во внимание углы установки самих задних колёс.
Угол осевого давления или угол движения – это угол между осью симметрии автомобиля и направлением тяги.
Направление усилия на заднюю ось, называемое осевой нагрузкой, определяется схождением задних колес. Линия осевого давления определяется разницей между продольной осью симметрии транспортного средства и осевыми нагрузками.
Если угол осевого давления не равен «0», то передние колеса стремятся поворачиваться в одинаковом направлении, как и задние колеса, стремясь выправить траекторию движения автомобиля в прямую линию. Как следствие, кузов будет направляться под углом к направлению движения.
Угол осевой нагрузки отрицателен, когда осевая нагрузка направлена влево к водителю, и положителен – при направлении вправо от водителя.
Угол движения должен быть равен «0» для автомобилей с правильно отрегулированными углами установки задних колёс. Угол движения (более 20?) может также о нарушении геометрии кузова.
Акерман
Рудольф Акерман изобрел четырехзвенную идеальную рулевую трапецию, которая позволяет знать идеальное соотношение углов управляемых колес при поворотах (при любом угле поворота управляемых колес). Данный принцип реализован в специальной программе стендов производства Jonh Bean PRO Ackerman.
Измеренный угол Акемана – это процентное отношение измеренного суммарного схождения к суммарному схождению, подсчитанному так, как если бы углы на внешнем колесе соответствовали 100% акерману на каждом градусе поворота рулевого колеса. Смысл функции акерман в том, что внешнее колесо поворачивается на неодинаковый угол с внутреннем колесом (внутреннее колесо поворачивается больше), т.к. оба колеса двигаются по разным радиусам. Идеальное соотношение между углами поворота двух передних колес обеспечивается идеальной трапецией акермана. Частично данное соотношение проверяется нормированием производителями автомобилей (расхождение углов при повороте 20°).
Подсчет теоретического 100% Акермана
Колесная база 2800
Угол поворота внутреннего колеса 20°
Вычисленное расстояние от оси задних колес до осей проходящих через центры передних колес (при повороте внутренноего колеса на 20°) – 7692,9
Вычесленный угол поворота внешнего колеса арктангенс (2800(7692,9+1500)=16,9°
Подсчет измеренного акермана
Разница между внутреннем и внешнем углом поворота теоретического акермана 20°-16,9°=3,1°
Разница между внутренним и внешним углом поворота измеренных величин 20°-18,5°=1,5°
Вычесляем измеренный акерман 1,5°/3,1°х100%=48 акермана.
Плечо обкатки ( Scrub Radius )
Расстояние между точкой контакта колеса с дорожным покрытием и точкой, в которой ось поворота пересекает дорожное покрытие на виде спереди.
Плечо стабилизации ( Caster Trail )
Расстояние между точкой контакта колеса с дорожным покрытием и точкой пересечения оси поворота колеса с дорогой на виде сбоку. Влияет на курсовую устойчивость и на силы в рулевом управлении при совершении поворота.
Расчет углов поворота управляемых колес автомобиля с учетом увода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»
углы поворота управляемых колес / соотношение углов поворота направляющих колес / управляемые колеса / геометрия рулевого управления / схождение. / steering angles / steering angle difference / steering geometry / slip angle / toe in.
Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Беляков Владимир Викторович, Палутин Юрий Васильевич, Тумасов Антон Владимирович, Бутин Данила Александрович, Трусов Александр Павлович
Представлен способ расчета углов поворота управляемых колес автомобиля, учитывающий угол увода шин управляемой оси. Различные известные теории на практике почти не используются в связи со сложностью вычислений, при этом геометрия рулевого управления основывается на опыте и анализе существующих автомобилей. Выявлено, что теория поворота управляемых колес Фиала наиболее адекватно описывает физические процессы, протекающие в контакте пневматической шины с опорной поверхностью. Предложенная методика отличается от ранее используемых значительным упрощением расчетов. В качестве данных, требуемых для расчета углов поворота управляемых колес , используются колесная база, высоты ЦТ, ширина колеи, масса на оси, коэффициент увода шин, боковое ускорение, радиус движения. Приведенный расчет зависимости поворота управляемых колес может быть использован на стадии проектирования автомобиля.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Беляков Владимир Викторович, Палутин Юрий Васильевич, Тумасов Антон Владимирович, Бутин Данила Александрович, Трусов Александр Павлович
К вопросу об углах установки управляемых колес автомобилей
Моделирование управляемости легкового автомобиля
Алгоритмы активного управления углами схождения колес автомобиля в движении
Исследование связи увода колес автомобиля с жесткостью подвески
Исследование режимов качения пневматической шины при испытаниях управляемости и устойчивости
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
CALCULATION STEETING GEOMETRY OF THE CAR TAKING INTO ACCOUNT THE SLIP ANGLE TIRE
Purpose: method for calculating the steering angle of the directive wheels of a car. Design/methodology/approach: The calculation is presented in the form of engineering formulas. Findings: The calculation results are comparable with the geometry of the steering controls of existing cars. Research limitations/implications: In calculating the slip of the tires of the driven axes adopted linear, and the slip of tires of the rear axle not included. Originality/value: for the first time the theory of geometry of steering control of the car of the Fiala theory is presented in a simple mathematical form.
Текст научной работы на тему «Расчет углов поворота управляемых колес автомобиля с учетом увода»
МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ: ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИИ, ПРОИЗВОДСТВО
В.В. Беляков1, Ю.В. Палутин2, А.В. Тумасов1, Д.А. Бутин1, А.П. Трусов1
РАСЧЕТ УГЛОВ ПОВОРОТА УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1 Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия2
Представлен способ расчета углов поворота управляемых колес автомобиля, учитывающий угол увода шин управляемой оси. Различные известные теории на практике почти не используются в связи со сложностью вычислений, при этом геометрия рулевого управления основывается на опыте и анализе существующих автомобилей. Выявлено, что теория поворота управляемых колес Фиала наиболее адекватно описывает физические процессы, протекающие в контакте пневматической шины с опорной поверхностью. Предложенная методика отличается от ранее используемых значительным упрощением расчетов. В качестве данных, требуемых для расчета углов поворота управляемых колес, используются колесная база, высоты ЦТ, ширина колеи, масса на оси, коэффициент увода шин, боковое ускорение, радиус движения. Приведенный расчет зависимости поворота управляемых колес может быть использован на стадии проектирования автомобиля.
Ключевые слова: углы поворота управляемых колес, соотношение углов поворота направляющих колес, управляемые колеса, геометрия рулевого управления, схождение.
Зависимость поворота управляемых колес автомобиля влияет на износ шин, а также на управляемость и устойчивость движения в повороте. В различные периоды развития автомобилестроения выдвигались те или иные теории поворота управляемых колес с целью уменьшения износа шин и улучшения показателей управляемости при движении в поворот. На основании анализа работ П.В. Аксенова, Д.А. Антонова, С.В. Бахмутова, Л.Л. Гинцбурга, А. Дика, Р.П. Кушвида, Э.И. Григолюка, Н.Т. Катанаева, В.Н. Кравца, К.С. Колесникова, А.А. Полунгяна, В.Ф. Платонова, В.А. Петрушова, Д.Р. Эллиса, Е.О. Рыкова, Ю.В. Шемякина, Г.П. Антипова, Н.А. Алфутова, М.В. Гурьянова, В.М. Семенова, В.И. Кольцова, Я.Е. Фа-робина, W.F. Milliken, D.L. Millken, H.B. Pacejka [1-14] можно выделить четыре наиболее распространенные теории поворота управляемых колес:
• параллелограммная — углы поворота управляемых колес всегда равны друг другу;
• геометрическая — соотношение углов поворота определяется по условию Аккер-мана;
• система по Гауфу и Ширеру — углы бокового увода обоих передних колес должны быть по возможности малыми, что достигается при одинаковой величине их углов бокового увода;
• система Фиала [12,13] — соотношения уводов пропорционально перераспределенной нагрузке;
• система по Хассельгруберу [7,8] — мощность бокового трения, т.е. производная боковой силы при уводе и компонента скорости, перепендикулярной к плоскости вращения шины, должны быть одинаковыми для обоих передних колес.
© Беляков В.В., Палутин Ю.В., Тумасов А.В., Бутин Д.А., Трусов А.П.
Для выявления наиболее оптимальной концепции необходимо представление в теории движения автомобиля и работы пневматической шины. При движении в повороте у автомобиля происходит перераспределение нормальных реакций колес. Под действием бокового ускорения на центр тяжести, нагрузка на внешнее колесо увеличиваются, а на внутреннем — снижается, что представлено на схеме (рис. 1). Рулевое управление — так же, как и подвеска — должно обеспечивать оптимальное положение пневматических шин относительно опорной поверхности во время движения. Для определения оптимальных режимов работы пневматических шин передней оси необходимы данные о качении шины с уводом. На рис. 2. представлены графики, характеризующие качение шины с уводом для различных вертикальных нагрузок. Следует обратить внимание, как изменяется зависимость боковой силы от угла уводы при различных вертикальных силах. При уменьшении вертикальной силы уменьшается максимальная боковая сила, развиваемая колесом, пропорционально боковой силе снижается угол увода, при котором достигается максимальное ее значение. Из графиков видно, что при изменении вертикальной силы характеристика шины на линейном участке остается неизменной.
Рис. 1. Схема распределения сил Рис. 2. Диаграмма боковой силы
в управляемых колесах от угла увода
На основании данных о движении автомобиля в повороте и работы пневматической шины можно сделать выводы о теориях поворота управляемых колес. Так, теория закона Ак-кермана подходит для жестких не пневматических колес, катящихся без увода; система по Га-уфу и Ширеру неприемлема в связи с тем, что углы увода у внешнего и внутреннего колеса будут разными из-за различных вертикальных сил; система по Хассельгруберга также не состоятельна в связи с тем, что не возможно на шинах развивать одинаковое боковое усилие, при том, что у них различные вертикальные силы; по этому самой объективной и учитывающий работу пневматической шины является система Фиала.
Расчет распределения вертикальной силы между колесами управляемой оси
Распределение вертикальных сил на управляемых колесах от действия бокового ускорения, действующего при движении автомобиля в повороте, рассчитывается по формулам (1), (2). При таком подходе перераспределения нагрузок на передней оси не учитываются многие факторы: угловая жесткость подвесок, жесткость кузова на кручение. Также эти формулы подходят только для равномерного движения без продольного ускорения.
^внутр _ ^9,81Мрсь^ ^
¿твнешн _ ^9,81Мос^ | ^ДуЯцт^
где , ^2внешн — сила вертикальная на управляемом колесе внутреннем и внешнем соответственно, Н; Мось — масса на управляемой оси, кг; ау — боковое ускорение, м/с2; Нцт — высота центра тяжести, м; В — ширина колеи, м.
Суммарная боковая сила, действующая на шины управляемой оси, рассчитывается по формуле (3). При этом расчете не учитываются переходный процесс установления кругового движения.
Боковые силы между внутренним и внешним колесом будут распределяться пропорционально вертикальным силам, согласно закону силы трения. Расчет боковых сил на внутреннем и внешнем колесе производится по формулам (4), (5).
рвнутр = I р • __(4)
где /^шутр, /увнешн — сила боковая на управляемом колесе внутреннем и внешнем соответственно, Н.
Характеристика качения колеса с уводом
Характеристику качения шины с уводом можно описать формулой любого из авторов теории шин Пасейки, Щадрин, Эллис, Фуфаев и других. Как правило, это функции боковой силы от угла увода, но для решения нашей задачи необходима обратная функция угла увода от боковой силы. Поскольку вывод угла увода из функции не всегда возможен или затруднен для решения данной задачи, примем, что шина работает только в зоне упругой деформации. Допущение, что при небольших углах увода шин зависимость линейна, имеется у многих авторов и часто используется при решении задач. Это допущение сильно упрощает расчетную формулу, при этом погрешность остается в рамках допустимого на режимах качения шин без жесткого скольжения. Режим жесткого скольжения в рамках оптимизации поворота управляемых колес не рассматривается. Представив зависимость угла увода от боковой силы в виде линейной зависимости выражение примет элементарный вид (6), (7):
где авнугр, авнешн — угол увода внутреннего и внешнего колеса, град; кувод — коэффициент увода шины от боковой силы, Н/град.
Поворот управляемых колес
На первом этапе рассчитывается угол поворота управляемых колес по закону Аккер-мана, потому что по этой траектории будут двигаться центры управляемых колес. Схема идеального поворота управляемых колес по закону Аккермана представлена на рис. 3
Рис. 3. Схема поворота управляемых колес
Расчет углов поворота по Аккерману производится без учета угла увода колес задней оси, а также радиус движения принимается до центра задней оси, приняв, что радиус движения ЦТ отличается не сильно, расчетные формулы (8) и (9).
Действительные углы поворота управляемых колес вычисляются по сумме идеальных углов поворота и углов увода, представлены в формулах (10) и (11).
лвнУ’Р = лвнУ’Р .^внутр ^действ ^идеал ‘
двнешн _ двнешн I -„.внешн
В качестве примера был проведен расчет оптимальных углов поворота колес по теории Фиала. Расчет был проведен для автомобиля с параметрами, представленными в табл. 1.
Колесная база, м 3,145
Высота ЦТ, м 0,85
Ширина колеи передней оси, м 1,75
Масса на передней оси, кг 1273
Коэффициент увода шин, Н/град 1250
В результате расчета были получены углы поворота управляемых колес. Для наглядности зависимости поворота колес от параметров движения в повороте в табл. 2 приведены значения расхождения колес.
Расхождения углов поворота управляемых колес
Расхождение управляемых колес, град
Радиус движения, м Боковое ускорения, м/с2
10 3,41993 3,11739 2,61316 1,90723 0,99962 -0,1097
20 0,70897 0,40643 -0,0978 -0,80373 -1,7113 -2,8207
30 0,25372 -0,04882 -0,55305 -1,25897 -2,1666 -3,2759
40 0,09756 -0,20498 -0,70921 -1,41513 -2,3228 -3,4321
50 0,02583 -0,27671 -0,78094 -1,48687 -2,3945 -3,5038
По результатам расчета оптимальных углов поворота управляемых колес выявлено две зависимости: с уменьшением радиуса движения увеличивается расхождение колес; с увеличением бокового ускорения расхождение колес уменьшается.
Исследования А.С. Добрина выявили, что при эксплуатации среднестатистического автомобиля на дорогах общего пользования боковые ускорения не превышают 3 м/с2. Этот порог называют «порогом неприятных ощущений»: он вызывает чувства дискомфорта и опасности. Если принять этот фактор во внимание и сопоставить с результатами расчета оптимального расхождения колес, то видно, что от 0 до 3 м/с2 угол расхождения колес крайне мал и увеличивается лишь при маневрировании и движениями с радиусами менее 20 м. Если рассматривать режимы движения с ограниченным боковым ускорением и исключить режим маневрирования, оптимальные углы поворота колес настолько близки по значениям, что зависимость поворота колес можно принять параллельной.
Если в эксплуатации автомобиля значительную часть составляет маневрирование с минимальными радиусами поворота, то наиболее адекватным теоретической конструкцией является закон поворота управляемых колес по Аккерману. Данный расчет также подтверждает правильность использования в спортивных автомобилях класса «Формула 1» и «Формула 3» кинематики рулевого управления с зависимостью Анти-Аккермана. Автомобили, двигающиеся с большими боковыми ускорениями, при определенных конструктивных параметрах имеют оптимальные углы поворота управляемых колес в положительном схождении.
В результате анализа теорий оптимального поворота управляемых колес в качестве наиболее адекватно описывающей физические процессы, протекающие в контакте пневматической шины с опорой поверхностью, была определена теория Фиала. Основанный на ней способ расчета оптимальных углов поворота, в силу ряда допущений (линейная зависимость
увода от боковой силы, увод колес задней оси) был сведен к инженерным формулам. Полученные результаты могут быть сопоставлены с геометриями рулевых управлений, используемых на автомобилях различных эксплуатаций. Приведенный расчет зависимости поворота управляемых колес может быть использован на стадии проектирования автомобиля.
Анализ рассчитанных величин углов поворота колес показывает, что для автомобилей, двигающихся с небольшими боковыми ускорениями до 1 м/с2, геометрия поворота управляемых колес схожа с геометрической теорией Аккермана, а при движении с боковыми ускорениями, близкими к потери динамической устойчивости, зависимость может быть описана по теории Анти-Аккермана.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по договору № 02.G25.31.0193 от 27.04.2016 г. (постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218).
Экспериментальные исследования выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования НГТУ «Транспортные системы».
1. Чудаков, Е.А. О рациональной форме рулевой трапеции // Доклады АН СССР. — М.: Изд-во АН СССР. — 1952. — Т. 88. — № 4.
2. Фрикционный износ резин / Сборник статей под ред. д.т.н. В.Ф. Евстратова. — М.: Химия, 1964, -271 с.
3. Фаробин, Я.Е. О рациональной форме рулевой трапеции // Автомобильная промышленность. — Т. 2. — 1959. — С. 15-17.
4. Фаробин, Я.Е. Теория поворота транспортных машин / Я.Е. Фаробин. — М.: Машиностроение, 1970, — 176 с.
5. Стефанович, Ю.Г. Исследование рулевой трапеции автомобилей / Ю.Г. Стефанович: Дис. . канд. техн. наук. — М., 1954. — 147 с.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
6. Кушвид, Р.П. Исследование рулевого управления автомобиля (оптимизация по критерию минимума износа шин) / Р.П. Кушвид. — дисс. . канд. техн. наук. — М., 1978, — 202 с.
7. Hasselgruber, H. Veerhaiten eines Kraftfahrzeuges bei Kurveenfahrt Automobilitechn Z / H. Has-selgruber. — №7. — 1965.
8. Hasselgruber, H. Zweckmäbige Auslegung van Krafttahrzeugienkungen in Hinbick auf Kurven vehaiten ung Reifengchonung / H. Hasselgruber // Automob. Ind., — № 3 (1). — 1964.
9. Добрин, A.C. Исследование движения автомобиля по заданной траектории / А.С. Добрин. — М.: НАМИ, 1966. — С. 35-65.
10. Добрин, A.C. Устойчивость и управляемость автомобиля при неустановившемся движении // Автомобильная промышленность. 1968. — № 9. — С.29-35.
11.Schallamach, A. The theori of dynamie rubber friction / А. Schallamach. — Wear. — 1963. — v.6. — № 5.
12.Fiala, E. Kraftkorrigierte Lenkanggeometrie / E. Fiala // ATZ. — 1959. — № 2.
13.Fiala E. Zur Fahrdunamik des Stressenfahrzeges unter Berück gichtigung der Lenkwngelastizitet / E. Fiala // ATZ. — № 3. — 1960.
14.Тумасов, А.В. Способ расчета интенсивности износа шин для различных режимов движения автомобиля / А.В. Тумасов, Д.А. Бутин, А.А. Васильев // Беспилотные транспортные средства: проблемы и перспективы. Сборник материалов 94 международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. — Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2016. — С. 123-129.
в редакцию: 07.03.2019
V.V. Belyakov, Y.V. Palutin, A.V. Tumasov, D.A. Butin, A.P. Trusov
CALCULATION STEETING GEOMETRY OF THE CAR TAKING INTO ACCOUNT THE SLIP ANGLE TIRE
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
Purpose: method for calculating the steering angle of the directive wheels of a car. Design/methodology/approach: The calculation is presented in the form of engineering formulas. Findings: The calculation results are comparable with the geometry of the steering controls of existing cars. Research limitations/implications: In calculating the slip of the tires of the driven axes adopted linear, and the slip of tires of the rear axle not included.
Originality/value: for the first time the theory of geometry of steering control of the car of the Fiala theory is presented in a simple mathematical form.
Key words: steering angles, steering angle difference, steering geometry, slip angle, toe in.
Что такое сход-развал и когда его делать. Памятка для водителей
Одна из самых востребованных услуг автосервиса — регулировка схода-развала колес. Особенно актуальной эта процедура становится в межсезонье, когда водители начинают менять резину. Понимание базовых механизмов устройства и работы подвески поможет самостоятельно диагностировать возможные причины плохой управляемости автомобиля и своевременно принять меры по их решению.
Что такое развал-схождение
Термином «сход-развал» или «развал-схождение» называется процедура регулировки углов установки колес автомобиля. Иногда для обозначения данной процедуры сервисмены используют ряд английских терминов: Camber (развал), Caster (продольный наклон оси поворота) и Toe-Tracking (схождение).
Фото: Автотехцентр Столица
Схождение — это продольное положение колес по отношению друг к другу. Если при условном взгляде сверху колеса любой из осей установлены параллельно друг другу, значит все в порядке. Если же передние кромки колес обращены друг другу, мы имеем дело с положительным схождением, а если смотрят в разные стороны — с отрицательным. В первом случае повышается стабильность на высоких скоростях, а в последнем — улучшается управляемость, колеса быстрее реагируют на руль. Но при отклонении от норм производителя все показатели будут ухудшаться.
Развал — это угол между условной вертикальной линией и плоскостью вращения колеса. Визуализировать развал можно, представив прямые линии между нижними и верхними точками шин передней оси. В идеале должен получиться прямоугольник. Развал может быть нейтральным или нулевым (идеальный прямоугольник), положительным (когда верхние точки колес наклонены от кузова наружу) и отрицательным (когда верхние точки колес наклонены к кузову).
Развал может изменяться при движении, это характерно для машин с адаптивными подвесками и подвеской типа макферсон. Например, отрицательный развал улучшает управляемость на поворотах, а положительный бывает при сильной загрузке автомобиля. Кастер — это угол продольного наклона оси поворота, который обычно не превышает величины 1–4 градуса на автомобилях. Когда все в норме, боковые силы будут стремиться вернуть руль в нейтральное положение, если отпустить его в повороте. Правильный угол также обеспечивает стабилизацию машины на поворотах.
Для чего нужен развал-схождение
Развал-схождение регулирует угол положения колес, что позволяет контролировать движение — повышает управляемость машины на дороге. Как следствие, от этого зависит безопасность водителя пассажиров.
Фото: Level Auto
Максим Тарасов, руководитель отдела развития корпоративных клиентов проекта UREMONT.COM:
«В теории конструкции подвески существует такое понятие, как углы установки колес. При проектировке автомобиля конструкторами рассчитываются оптимальные значения положения колес, что влияет на управляемость и поведение автомобиля на дороге. На новом автомобиле данные параметры находятся в заводских значениях, однако с течением времени в связи с износом элементов подвески параметры отклоняются от заданных. Соответственно процедура регулировки схода-развала предназначена для возвращения данных параметров в заданное значение».
Что будет если не делать развал-схождение
Некоторые водители считают, что в процедуре нет необходимости, когда визуально незаметно, что колеса направлены в разные стороны. На самом деле, в каждом отдельном случае лучше проконсультироваться со специалистом в автосервисе. Без «схода-развала» (или при его неправильном выполнении):
- машина может непредсказуемо вести себя на трассе — ухудшится управляемость и устойчивость, что нередко приводит к заносам;
- усилится неравномерный износ резины;
- появится дополнительная нагрузка на подвеску и рулевую систему;
- будет расходоваться больше топлива.
Когда делают развал-схождение
Есть несколько отклонений в работе автомобиля, по которым можно понять, что машине требуется сход-развал. Косвенных признаков нарушений углов установки колес несколько: при движении по прямой руль автомобиля стоит неровно, машину уводит в сторону и приходится подруливать, при наборе скорости машину ведет в сторону, а также если при торможении автомобиль стремится уйти в занос.
Кроме того, отправиться в сервис нужно при неравномерном износе резины. Например, если покрышки быстрее стираются с внутренней или внешней стороны. Причина изменения углов также может быть в износе деталей подвески, например, сайлентблоков, рулевых тяг, пружин и амортизаторов. Также насторожить должен визг покрышек в поворотах и повышенный расход топлива из-за сильного сопротивления качению передних колес.
Процедуру нужно обязательно проводить при замене шаровых опор, рулевых наконечников, приводов колес. Делать сход-развал не требуется, если выполнялись работы по замене амортизаторов, стабилизаторов или переброска колес. Регулировку можно выполнить самостоятельно при наличии абсолютно ровной площадки и простого набора инструментов, но непрофессионалу это сделать сложно. Наиболее быстро и точно регулировку можно провести в сервисе на специальном оборудовании.
Максим Тарасов: «Сход-развал необходимо делать при замене сайлентблоков, тяг и наконечников, чтобы подкорректировать углы с учетом новых деталей. Процедура обязательна после ДТП. При кузовном ремонте силовая структура возвращается на место, однако с точностью до микрона это невозможно сделать, поэтому производят регулировку для проверки качества ремонта. Провести развал-схождение нужно при изменении управляемости авто. Изначально с завода применяются усредненные параметры по управляемости, комфортности и безопасности. Так, для спортивных автомобилей можно изменить углы в ущерб комфорту, но улучшению управления. В остальных случаях рекомендуется проводить проверку сход-развал раз в один-два года в качестве профилактики».
Ремонт и регулировка развал-схождения
Стоимость проверки углов установки колес обычно не превышает 1000-1500 рублей. Ее рекомендуется проводить после замены шин и дисков или ремонта деталей подвески. Если требуется регулировка, то придется потратить от 2000 руб. в зависимости от автомобиля и объема работ — количества осей и коррозии регулировочных болтов. Регулировка включает в себя установку правильных углов схождения, развала, продольного наклона шкворня, поперечного наклона шкворня, осевого смещения и включенного угла. Вся процедура не превышает 30 минут.
Фото: АвтоГЕРМЕС
В зависимости от типа подвесок автомобиля развал-схождение требуется делать только на передней либо на передней и задней осях. Как правило, при ремонте задней подвески процедура не требуется для зависимых и полузависимых типов подвесок, но является обязательной после ремонта, например, многорычажной задней подвески.
Своими руками отрегулировать развал и схождение можно, но ювелирной точности, как на стенде в сервисе, самостоятельно не добиться. Процедура подробно описана в соответствующей литературе, но на практике требует абсолютно ровной площадки, точной измерительной аппаратуры и безошибочной точности со стороны оператора. В техцентрах применяют откалиброванные лазерные или оптические стенды с компьютерным контролем.
Максим Тарасов, руководитель отдела развития корпоративных клиентов проекта UREMONT.COM:
«Регулировку можно произвести самому, однако тогда она не принесет максимального результата. В период 1970-х — 1990-х автолюбители СССР производили регулировку схождения при помощи специальной линейки, а развала — нитки с грузом, рассчитывая отклонения колеса «на глаз». С учетом конструкции современных автомобилей, это осталось в прошлом. Поэтому сейчас данную регулировку необходимо производить в СТО на специальных стендах, предоставляющих возможность с точностью определить положение колеса, смещение моста и другие специфические параметры».