"Секреты подвески" (Углы Установки Колес)

[Hondovod]

Экскурс в историю показывает, что мудреная установка колес применялась на различных средствах передвижения задолго до появления автомобиля. Вот несколько более или менее хорошо известных примеров.

2.jpg (48.09КБ)5760 просмотров

Не секрет, что колеса некоторых карет и прочих колясок на конной тяге, предназначенных для «динамичной» езды, устанавливали с большим, хорошо заметным глазу положительным развалом. Делалось это для того, чтобы грязь, летевшая с колес, не попадала в экипаж и на важных седоков, а разбрасывалась по сторонам.У утилитарных повозок для неспешного передвижения все было с точностью до наоборот. Так, дореволюционные руководства о том, как построить хорошую телегу, рекомендовали ставить коле- са с отрицательным развалом. В этом случае при потере нагеля, стопорящего колесо, оно не сразу соскакивало с оси. У возницы было время, чтобы заметить повреждение «ходовой», чреватой особенно большими неприятностями при наличии в телеге нескольких десятков пудов муки и отсутствии домкрата. В конструкции орудийных лафетов (опять-таки наоборот) иногда применялся положительный развал колес. Понятно, что не с целью уберечь пушку от грязи. Так прислуге было удобно накатывать орудие за колеса руками сбоку, не опасаясь отдавить ноги. А вот у арбы ее огромные колеса, которые помогали запросто перебираться через арыки, были наклонены в другую сторону — к повозке. Достигавшееся при этом увеличение колеи способствовало повышению устойчивости среднеазиатского «мобиля», отличавшегося высоким расположением центра тяжести. Какое отношение эти исторические факты имеют к установке колес современных автомобилей? Да, в общем, ни какого. Тем не менее, они позволяют сделать полезный вывод. Видно, что установка колес (в частности, их развал) не подчинена какой-либо единой закономерности.
При выборе этого параметра «производитель» в каждом конкретном случае руководствовался разными соображениями, которые он считал приоритетными. Итак, к чему стремятся конструкторы автомобильных подвесок при выборе УУК? Конечно, к идеалу. Идеалом для автомобиля, который движется прямолинейно, считается такое положение колес, когда плоскости их вращения (плоскости качения) перпендикулярны поверхности дороги, параллельны друг другу, оси симметрии кузова и совпадают с траекторией движения. В этом случае потери мощности на трение и износ протектора шин минимальны, а сцепление колес с дорогой, наоборот, максимально. Естественно, возникает вопрос: что же заставляет преднамеренно отклоняться от идеала? Забегая вперед, можно привести несколько соображений. Во-первых, мы судим об углах установки колес на основании статической картины, когда автомобиль неподвижен. Кто сказал, что в движении, при ускорении, торможении и маневрировании автомобиля она не меняется? Во-вторых, сокращение потерь и продление срока службы шин не всегда является приоритетной задачей. Прежде чем рассказывать о том, какие факторы принимают в расчет разработчики подвесок, условимся, что из большого числа параметров, описывающих геометрию подвески автомобиля, мы ограничимся лишь теми, что входят в группу первичных (primary) или основных. Они называются так потому, что определяют настройку и свойства подвески, всегда контролируются при ее диагностике и регулируются, если таковая возможность предусмотрена. Это хорошо известные схождение, развал и углы наклона оси поворота управляемых колес. При рассмотрении этих важнейших параметров нам придется вспомнить и о других характеристиках подвески.

5.jpg (22.48КБ)5760 просмотров

Схождение (TOE) характеризует ориентацию колес относительно продольной оси автомобиля. Положение каждого колеса может быть определено отдельно от других, и тогда говорят об индивидуальном схождении. Оно представляет собой угол между плоскостью вращения колеса и осью автомобиля при его наблюдении сверху. Суммарное схождение (или просто схождение) колес одной оси. как и следует из названия, представляет собой сумму индивидуальных углов. Если плоскости вращения колес пересекаются впереди автомобиля, схождение положительное (toe-in), если сзади — отрицательное (toe-out). В последнем случае можно говорить о расхождении колес.
В регулировочных данных иногда схождение приводится не только в виде угловой, но и линейной величины. Это связано с тем. что о схождении колес также судят по разности расстояний между закраинами ободьев, замеренных на уровне их центров сзади и спереди оси.

6.jpg (21.57КБ)5760 просмотров

В различных источниках, в том числе и серьезной технической литературе, часто приводится версия о том, что схождение колес необходимо для компенсации побочного действия развала. Мол, из-за деформации шины в пятне контакта «разваленное» колесо можно представить как основание конуса. Если колеса установлены с положительным углом развала (почему — пока неважно), они стремятся «раскатиться» в разные стороны. Чтобы этому противодействовать, плоскости вращения колес сводят.(рис.20) Версия, надо сказать, не лишена изящества, но не выдерживает критики. Хотя бы потому, что предполагает однозначную взаимосвязь между развалом и схождением. Следуя предлагаемой логике, колеса, имеющие отрицательный угол развала, обязательно должны устанавливаться с расхождением, а если угол развала нулевой, то и схождения быть не должно. В действительности это совсем не так.
Действительность, как водится, подчиняется более сложным и неоднозначным закономерностям.При качении наклоненного колеса в пятне контакта действительно присутствует боковая сила, которую часто так и называют — тяга развала. Она возникает в результате упругой деформации шины в поперечном направлении и действует в сторону наклона. Чем больше угол наклона колеса, тем больше тяга развала. Именно ее используют водители двухколесной техники — мотоциклов и велосипедов — при прохождении поворотов. Им достаточно наклонить своего скакуна, чтобы заставить его «прописывать» криволинейную траекторию, которую остается лишь корректировать рулевым управлением. Тяга развала играет немаловажную роль и при маневрировании автомобилей, о чем будет сказано далее. Так что вряд ли ее стоит намеренно компенсировать схождением. Да и сам посыл, что из-за положительного угла развала колеса стремятся развернуться наружу, т.е. в сторону расхождения, неверен. Напротив, конструкция подвески управляемых колес в большинстве случаев такова, что при положительном развале его тяга стремится увеличить схождение. Так что «компенсация побочного действия развала» не причем.Известно несколько факторов, обусловливающих необходимость схождения колес .Первый состоит в том, что предварительно выставленным схождением компенсируется влияние продольных сил, действующих на колесо при движении автомобиля. Характер и глубина (а значит, и результат) влияния зависят от многих обстоятельств: ведущее колесо или свободно катящееся, управляемое, или нет, наконец, от кинематики и эластичности подвески. Так, на свободно катящееся колесо автомобиля в продольном направлении воздействует сила сопротивления качению. Она создает изгибающий момент, стремящийся развернуть колесо относительно узлов крепления подвески в направлении расхождения. Если подвеска автомобиля жесткая (например, не разрезная или торсионная балка), то эффект окажется не очень значительным. Тем не менее он обязательно будет, поскольку «абсолютная жесткость» — термин и явление сугубо теоретические. К тому же перемещение колеса определяется не только упругой деформацией элементов подвески, но и компенсацией конструктивных зазоров в их соединениях, колесных подшипниках и т.д.
В случае подвески с большой податливостью (что характерно, например, для рычажных конструкций с эластичными втулками) результат многократно возрастет. Если колесо не только свободно катящееся, но и управляемое, ситуация усложняется. За счет появления у колеса дополнительной степени свободы та же сила сопротивления оказывает двоякое воздействие. Момент, изгибающий переднюю подвеску, дополняется моментом, стремящимся развернуть колесо вокруг оси поворота. Разворачивающий момент, величина которого зависит от расположения оси поворота, воздействует на детали механизма рулевого управления и вследствие их податливости также вносит свою весомую лепту в изменение схождения колеса в движении. В зависимости от плеча обкатки вклад разворачивающего момента может быть со знаком «плюс» или «минус». То есть он может либо усиливать расхождение колес, либо противодействовать этому. Если не принять все это во внимание и установить изначально колеса с нулевым схождением, в движении они займут расходящееся положение. Из этого «вытекут» последствия, характерные для случаев нарушения регулировки схождения: повышенный расход топлива, пилообразный износ протектора и проблемы с управляемостью, о чем будет сказано далее.
Сила сопротивления движению зависит от скорости автомобиля. Поэтому идеальным решением стало бы переменное схождение, обеспечивающее столь же идеальное положение колес на любых скоростях. Поскольку сделать это сложно, колесо предварительно «сводят» так, чтобы достичь минимального износа шин в режиме крейсерской скорости. Колесо, расположенное на ведущей оси, большую часть времени подвергается действию силы тяги. Она превышает силы сопротивления движению, поэтому равнодействующая сил будет направлена по ходу движения. Применив ту же логику, получим, что в этом случае колеса в статике нужно установить с расхождением. Аналогичный вывод можно сделать и в отношении управляемых ведущих колес.
Лучший критерий истины — практика. Если, памятуя об этом, посмотреть регулировочные данные для современных автомобилей, можно испытать разочарование, не обнаружив большой разницы в схождении управляемых колес задне- и переднеприводных моделей. В большинстве случаев и у тех, и у других этот параметр будет положительным. Разве что среди переднеприводных автомобилей чаще встречаются случаи «нейтральной» регулировки схождения. Причина не в том, что описанная выше логика не верна. Просто при выборе величины схождения наряду с компенсацией продольных сил учитывают и другие соображения, которые вносят поправки в конечный результат. Одно из наиболее важных — обеспечение оптимальной управляемости автомобиля. С ростом скоростей движения и динамичности автотехники этот фактор приобретает все большее значение.

7.jpg (83.06КБ)5760 просмотров

Управляемость — понятие многогранное, поэтому стоит уточнить, что схождение колес наиболее ощутимо влияет на стабилизацию прямолинейной траектории автомобиля и его поведение на входе в поворот. Наглядно это влияние можно пояснить на примере управляемых колес. Допустим, в движении по прямой на одно из них оказывается случайное возмущающее воздействие от неровности дороги. Возросшая сила сопротивления поворачивает колесо в направлении уменьшения схождения. Через рулевой механизм воздействие передается на второе колесо, схождение которого, наоборот, увеличивается. Если изначально колеса имеют положительное схождение, сила сопротивления на первом уменьшается, а на втором — растет, что противодействует возмущению. Когда схождение равно нулю, противодействующий эффект отсутствует, а когда оно отрицательное — появляется дестабилизирующий момент, способствующий развитию возмущения. Автомобиль с такой регулировкой схождения будет рыскать по дороге, его придется постоянно ловить подруливанием, что недопустимо для обычного дорожного автомобиля.
У этой «монеты» есть и обратная, позитивная сторона — отрицательное схождение позволяет добиться от рулевого управления наиболее быстрой реакции. Малейшее действие водителя тут же провоцирует резкое изменение траектории — автомобиль охотно маневрирует, легко «соглашается» на поворот. Такая регулировка схождения сплошь и рядом используется в автоспорте.

8.jpg (18.65КБ)5760 просмотров

Те, кто смотрят телепередачи о чемпионате WRC, наверняка обращали внимание на то, как активно приходится работать рулем тому же Лёбу или Гронхольму даже на относительно прямых участках трассы. Аналогичное воздействие на поведение автомобиля оказывает схождение колес задней оси — уменьшение схождения вплоть до небольшого расхождения увеличивает «подвижность» оси. Этот эффект часто используют для компенсации недостаточной поворачиваемости автомобилей, например, переднеприводных моделей с перегруженной передней осью.
Таким образом, статические параметры схождения, которые приведены в регулировочных данных, представляют собой некую суперпозицию, а иногда и компромисс между желанием сэкономить на топливе и резине и добиться оптимальных для автомобиля характеристик управляемости. Причем заметно, что в последние годы превалирует последнее.

Развал – параметр, который отвечает за ориентацию колеса относительно дорожного покрытия. Мы помним, что в идеале они должны быть перпендикулярны друг другу, т.е. развала быть не должно. Тем не менее у большинства дорожных автомобилей он есть. В чем фишка?

Справка

10.jpg (9.95КБ)5760 просмотров

Развал

Развал (camber) отражает ориентацию колеса относительно вертикали и определяется как угол между вертикалью и плоскостью вращения колеса. Если колесо на самом деле «развалено», т.е. его вершина наклонена наружу, развал считается положительным. Если колесо наклонено к кузову – развал отрицательный.


До недавнего времени наблюдалась тенденция именно разваливать колеса, т.е. придавать углам развала положительные значения. Многим, наверняка, памятны учебники по теории автомобиля, в которых установка колес с развалом объяснялась стремлением перераспределить нагрузку между внешним и внутренним ступичными подшипниками. Мол, при положительном угле развала большая ее часть приходится на внутренний подшипник, который проще выполнить более массивным и прочным. В результате выигрывает долговечность подшипникового узла. Тезис не очень убедительный, хотя бы потому, что он если и справедлив, то только для идеальной ситуации – прямолинейного движения автомобиля по абсолютно ровной дороге. Известно, что при маневрах и проезде неровностей, даже самых незначительных, подшипниковый узел испытывает динамические нагрузки, которые на порядок превышают статические силы. Да и распределяются они не совсем так, как «диктует» положительный развал колес.

Иногда пытаются толковать положительный развал как дополнительную меру, направленную на уменьшение плеча обкатки. Когда у нас дойдет дело до знакомства с этим важным параметром подвески управляемых колес, станет понятно, что такой способ воздействия далеко не самый удачный. Он сопряжен с одновременным изменением ширины колеи и включенного угла наклона оси поворота колеса, что чревато нежелательными последствиями. Существуют более прямые и менее болезненные варианты изменения плеча обкатки. К тому же его минимизация не всегда является целью разработчиков подвески.

Более убедительно выглядит версия, что положительным развалом компенсируется смещение колес, происходящее при увеличении нагрузки на ось (в результате роста загрузки автомобиля или динамического перераспределения его массы при ускорении и торможении). Эласто-кинематические свойства большинства типов современных подвесок таковы, что с увеличением веса, приходящегося на колесо, угол развала уменьшается. Чтобы при этом обеспечить максимальное сцепление колес с дорогой, логично их предварительно чуть «развалить». Тем более что в умеренных дозах развал несильно отражается на сопротивлении качению и износе шин.

11.jpg (89.64КБ)5760 просмотров

Достоверно известно, что на выбор величины развала также оказывает влияние общепринятое профилирование дорожного полотна. В цивилизованных странах, где существуют дороги, а не направления, их поперечное сечение имеет выпуклый профиль. Чтобы в этом случае колесо оставалось перпендикулярным к опорной поверхности, ему нужно придать небольшой положительный угол развала.
Просматривая спецификации на УУК, можно заметить, что в последние годы превалирует противоположная «развальная тенденция». Колеса большинства серийных автомобилей в статике устанавливаются с отрицательным развалом. Дело в том, что, как уже упоминалось, на первый план выходит задача обеспечения их наилучшей устойчивости и управляемости. Развал – это параметр, который оказывает определяющее влияние на так называемую боковую реакцию колес. Именно она противодействует центробежным силам, действующим на автомобиль в повороте, и способствует его удержанию на криволинейной траектории. Из общих соображений следует, что сцепление колеса с дорогой (боковая реакция) будет максимальным при наибольшей площади пятна контакта, т.е. при вертикальном положении колеса. На самом деле у колеса стандартной конструкции она достигает пика при небольших отрицательных углах наклона, что обусловлено вкладом упоминавшейся тяги развала. Значит, чтобы сделать колеса автомобиля предельно цепкими в повороте, нужно их не разваливать, а, наоборот, «сваливать». Этот эффект известен давно и столь же давно используется в автоспорте. Если предметно взглянуть на «формульный» болид, хорошо заметно, что его передние колеса установлены с большим отрицательным развалом.

12.jpg (47.44КБ)5760 просмотров

13.jpg (56.65КБ)5760 просмотров

Что хорошо для гоночных болидов, не совсем подходит для серийных автомобилей. Чрезмерный отрицательный развал вызывает повышенный износ внутренней зоны протектора. С увеличением наклона колеса сокращается площадь пятна контакта. Сцепление колес при прямолинейном движении уменьшается, в свою очередь снижается эффективность ускорения и торможения. На способность автомобиля удерживать прямолинейную траекторию избыточный отрицательный развал влияет так же, как и недостаточное схождение, автомобиль становится излишне нервозным. Виновна в этом все та же тяга развала. В идеальной ситуации вызванные развалом боковые силы действуют на оба колеса оси и уравновешивают друг друга. Но стоит одному из колес потерять сцепление с дорогой, как тяга развала другого оказывается некомпенсированной и заставляет автомобиль отклониться от прямолинейной траектории. Кстати, если припомнить, что величина тяги зависит от наклона колеса, нетрудно объяснить боковой увод автомобиля при неодинаковых углах развала правого и левого колес. Одним словом, при выборе величины развала также приходится искать «золотую середину».

Чтобы обеспечить автомобилю хорошую устойчивость, недостаточно в статике сделать углы развала отрицательными. Конструкторы подвески должны добиться, чтобы колеса сохраняли оптимальную (или близкую к ней) ориентацию на всех режимах движения. Выполнить это непросто, поскольку при маневрах любые изменения положения кузова, сопровождающиеся смещением элементов подвески (клевки, боковые крены и т.д.), приводят к существенному изменению развала колес. Как ни странно, эта задачка решается проще на спортивных автомобилях с их «зубодробительными» подвесками, отличающимися высокой угловой жесткостью и короткими ходами. Здесь статические величины развала (и схождения) меньше всего отличаются от того, как они выглядят в динамике.

14.jpg (81.18КБ)5760 просмотров

Чем больше диапазон ходов подвески, тем больше изменение развала в движении. Поэтому тяжелее всего приходится разработчикам обычных дорожных автомобилей с максимально эластичными (для наилучшего комфорта) подвесками. Им приходится поломать голову над тем, как «совместить несовместное» – комфорт и устойчивость. Обычно компромисс удается найти, «поколдовав» над кинематикой подвески.

Существуют решения, позволяющие свести к минимуму изменение углов развала и придать этим изменениям желательный «тренд». Например, желательно, чтобы в повороте наиболее нагруженное внешнее колесо оставалось бы в том самом оптимальном положении – с небольшим отрицательным развалом. Для этого при крене кузова колесо должно еще больше «заваливаться» на него, что достигают оптимизацией геометрии направляющих элементов подвески. Помимо этого, стараются уменьшить сами крены кузова, применяя стабилизаторы поперечной устойчивости.
Справедливости ради стоит сказать, что эластичность подвески не всегда враг устойчивости и управляемости. В «хороших руках» эластичность, напротив, способствует им. Например, при умелом использовании эффекта «самоподруливания» колес задней оси. Возвращаясь к теме разговора, можно резюмировать, что углы развала, которые указываются в спецификациях для легковых автомобилей, будут значительно отличаться от того, какими они окажутся в повороте.

15.jpg (88.8КБ)5760 просмотров

Завершая «разборку» со схождением и развалом, можно упомянуть еще об одном интересном аспекте, имеющем практическое значение. В регулировочных данных на УУК приводятся не абсолютные значения углов развала и схождения, а диапазоны допустимых величин. Допуски на схождение жестче и обычно не превышают ±10', на развал – в несколько раз более свободные (в среднем ±30'). Это значит, что мастер, выполняющий регулировку УУК, может настроить подвеску, не выходя за пределы заводских спецификаций. Казалось бы, несколько десятков угловых минут – ерунда. Вогнал параметры в «зеленый коридор» – и порядок. Но давайте посмотрим, каков может быть результат. К примеру, в спецификациях для BMW 5-й серии в кузове Е39 указываются: схождение 0°5'±10', развал –0°13'±30'. Это значит, что, оставаясь в «зеленом коридоре», схождение может принять значение от –0°5' до +15', а развал от –43' до +17'. То есть и схождение, и развал могут быть отрицательными, нейтральными или положительными. Имея представление о влиянии схождения и развала на поведение автомобиля, можно намеренно «подшаманить» эти параметры так, чтобы получить желаемый результат. Эффект не окажется разительным, но он обязательно будет.

Рассмотренные нами развал и схождение – параметры, которые определяются для всех четырех колес автомобиля. Далее речь пойдет об угловых характеристиках, которые имеют отношение только к управляемым колесам и определяют пространственную ориентацию оси их поворота.

Известно, что положение оси поворота управляемого колеса автомобиля определяется двумя углами: продольным и поперечным. А почему бы не сделать ось поворота строго вертикальной? В отличие от случаев с развалом и схождением ответ на этот вопрос более однозначный. Здесь разные источники практически единодушны, по крайней мере в отношении продольного угла наклона – кастера.

16.jpg (124.13КБ)5760 просмотров

Справедливо отмечают, что главная функция кастера – скоростная (или динамическая) стабилизация управляемых колес автомобиля. Стабилизацией в данном случае называют способность управляемых колес сопротивляться отклонению от нейтрального (соответствующего прямолинейному движению) положения и автоматически возвращаться к нему после прекращения действия внешних сил, вызвавших отклонение. На движущееся автомобильное колесо постоянно действуют возмущающие силы, стремящиеся вывести его из нейтрального положения. Они могут быть следствием проезда неровностей дороги, неуравновешенности колес и т.д. Поскольку величина и направление возмущений постоянно меняются, их воздействие носит случайный колебательный характер. Не будь механизма стабилизации, парировать колебания пришлось бы водителю, что превратило бы управление автомобилем в мучение и наверняка увеличило износ шин. При грамотно выполненной стабилизации автомобиль устойчиво движется по прямой с минимальным вмешательством водителя и даже с отпущенным рулевым колесом.

17.jpg (56.02КБ)5760 просмотров

Отклонение управляемых колес может быть вызвано намеренными действиями водителя, связанными с изменением направления движения. В этом случае стабилизирующий эффект содействует водителю на выходе из поворота, автоматически возвращая колеса в нейтральное положение. А вот на входе в поворот и в его апексе «драйверу», напротив, приходится преодолевать «сопротивление» колес, прикладывая к рулевому колесу определенное усилие. Возникающая на рулевом колесе реактивная сила создает то, что называют чувством руля или информативностью рулевого управления и чему уделяют много внимания и разработчики автомобилей, и автомобильные журналисты.

Самой идее стабилизации рулевого управления автомобиля за счет положительного кастера более сотни лет. Считается, что впервые она была предложена в английском патенте 1896 года неким Артуром Кребсом. Для объяснения механизма этого явления обычно приводят в пример конструкцию поворотных колес роялей и продуктовых тележек. Особенность упомянутых колес состоит в том, что ось их поворота смещена относительно оси вращения. В этом случае след оси поворота (воображаемая точка ее пересечения с поверхностью) находится на некотором расстоянии от центра пятна контакта колеса. За счет этого колесо в движении всегда стремится строго следовать за идущей впереди осью. В качестве стабилизирующего фактора выступает сила сопротивления качению. Как только линия ее действия отклоняется от следа оси, возникает момент, возвращающий колесо в исходную позицию. Стабилизирующее действие тем сильнее, чем больше сила сопротивления качению и смещение оси поворота. Если бы с автомобильным колесом все было так же просто и понятно! Нет, что касается конечного результата, аналогия соблюдается. А вот описанный «рояльно-тележечный» механизм стабилизации имеет примерно такое же отношение к автомобильному колесу, как и сами рояли к автомобилям.

18.jpg (56.52КБ)5760 просмотров

Почему это так? Одна из причин, причем далеко не главная, состоит в том, что в автотехнике стабилизация управляемых колес достигается несколько иными конструктивными мерами. Нужный вылет оси поворота (его называют плечом стабилизации) чаще всего получают за счет ее наклона в продольном направлении на угол, который и называют кастером. Наглядный пример такой конструкции – устройство передней вилки мотоцикла. Ее наклон придает управляемому колесу движущегося «полуавтомобиля» стабильность, что позволяет байкерам безнаказанно выполнять трюки, не держась за руль. Иногда наклон сочетают с небольшим смещением оси в ту или иную сторону от центра вращения колеса. У современных легковых автомобилей обычно кастер принимает положительные значения, которые не превышают десяти угловых градусов. При этом плечо стабилизации оказывается небольшим по отношению к размерам колеса. А уж плечо продольных сил (сопротивления качению или тяги) – и вовсе мизерным. Поэтому они просто не в состоянии стабилизировать массивное колесо автомобиля. Да это и не нужно – в момент действия дестабилизирующих боковых сил в пятне контакта автомобильного колеса с дорогой генерируются достаточно мощные поперечные (боковые) реакции, парирующие возмущение. Они возникают вследствие сложных процессов деформации шины, катящейся с боковым уводом. Значительная деформация эластичной шины в радиальном, касательном и тангенциальном направлениях и есть главная причина отличия механизма стабилизации автомобильного колеса от слабо или вовсе не деформируемых колес роялей и продуктовых тележек. В результате характер стабилизации меняется с «продольного» на «поперечный».
Дополнительная информация о боковом уводе, механизме образования боковой реакции и стабилизирующего момента приведена ниже.


Увод и стабилизация

19.JPG (107.79КБ)5760 просмотров

Стоит подчеркнуть, что в результате увода колеса под действием боковой силы (силового увода) равнодействующая элементарных боковых реакций всегда оказывается смещенной назад по ходу движения от центра контактной площадки. То есть стабилизирующий момент действует на колесо даже в том случае, когда след оси поворота совпадает с центром пятна контакта. Возникает вопрос: зачем вообще нужен кастер? Дело в том, что стабилизирующий момент (Мст) зависит от различных факторов (конструкции шины и давления в ней, нагрузки на колесо, сцепления с дорогой, величины продольных сил и т.д.) и не всегда оказывается достаточным для оптимальной стабилизации управляемых колес. На этот случай плечо стабилизации увеличивают продольным наклоном оси поворота, т.е. положительным кастером. Дестабилизирующие силы, действующие на колесо движущегося автомобиля, вызываются разными причинами, но, как правило, имеют одинаковый, инерциальный характер. Соответственно, и боковые реакции, и стабилизирующие моменты с ростом скорости увеличиваются. Поэтому стабилизацию управляемых колес, в которую вносит весомый вклад кастер, называют скоростной. С увеличением скорости она «рулит» поведением управляемых колес. На малых скоростях влияние этого механизма становится несущественным. Забегая вперед, упомянем, что здесь работает стабилизация весовая, за которую отвечает наклон оси поворота колеса в поперечном направлении.

Установка оси поворота управляемых колес с положительным кастером полезна не только для их стабилизации. Положительный кастер устраняет опасность резкого изменения траектории и даже опрокидывания автомобиля под действием внезапной боковой силы. Она может быть следствием порыва ветра или движения поперек склона. Благодаря положительному кастеру автомобиль даже с отпущенным рулем плавно поворачивает «под ветер» или «под уклон». Увеличение продольного угла наклона в положительную сторону в общем случае, имеет позитивные следствия, но приводит к росту усилия руления. Это значит, что возрастают нагрузки на усилитель и детали рулевого механизма. Поэтому выбор кастера – опять-таки компромисс, который у современных легковых автомобилей достигается при величинах порядка +2–6°. Меньшие значения, как правило, типичны для машин с большой нагрузкой на ось – чтобы чрезмерно не увеличивать усилие на руле. Своим нехарактерным подходом к выбору кастера известны конструкторы Mercedes-Benz. У большей доли «мерсов» продольный угол наклона оси поворота лежит в пределах +10–12°. Почему это так?

Дело в том, что таким образом конструкторы усиливают еще одно благоприятное следствие кастера. Продольный наклон оси поворота приводит к существенному изменению развала управляемых колес при их повороте. Механизм зависимости проще понять, если представить гипотетическую ситуацию, когда ось поворота колеса расположена горизонтально (кастер равен +90°). В этом случае «поворот» управляемого колеса полностью трансформируется в изменение его наклона относительно дорожного полотна, т.е. развала. Тенденция такова, что развал внешнего колеса в повороте становится более отрицательным, а внутреннего – более положительным. Как мы уже уяснили, это благотворно отражается на устойчивости автомобиля при маневрах. Чем больше кастер, тем больше изменение углов развала в повороте. Поэтому иногда (как и в случае с M-B) угол наклона оси поворота намеренно увеличивают. Чтобы при этом не превысить допустимое усилие на рулевом колесе (не увеличить чрезмерно плечо стабилизации), ось поворота смещают в продольном направлении так, что она проходит на некотором расстоянии позади оси вращения колеса.

Выходит, у всех современных автомобилей ось поворота наклонена в положительную сторону. В этом месте стоит вернуться назад, к критике представления об однозначной связи между развалом и схождением . Если принять во внимание расположение плеча стабилизации, становится понятно, что вызванная развалом боковая сила (тяга развала), направленная от автомобиля, «работает» на увеличение схождения управляемых колес, а никак не наоборот. Действительно, положительный наклон оси поворота провоцирует возникновение моментов, стремящихся повернуть управляемые колеса в сторону увеличения схождения. Причем момент тяги развала – не единственный и не определяющий. Наибольшее воздействие на схождение оказывает момент одной из составляющих вертикальной реакции (Rz):

MRz = f(Rz, Sin r).

Эксперименты, объектом которых был автомобиль BMW 323i, показали, что при движении по прямой на каждое его управляемое колесо действует момент порядка 40 Н•м.
Отсюда становится понятно, к чему может привести нарушение регулировки кастера. Разница этого параметра для левого и правого колес влияет на способность автомобиля держать прямолинейную траекторию. Если она превышает 1°, отличие моментов на управляемых колесах становится ощутимым и возникает боковой дрейф автомобиля в сторону колеса с меньшим кастером. Это, в общем случае, негативное явление иногда используют во благо и намеренно придают кастеру и углам развала управляемых колес разных бортов немного отличные значения. К примеру, автомобиль, предназначенный для правостороннего движения, из-за профилирования дорожного полотна испытывает дрейф по направлению к обочине. Чтобы его компенсировать, правое колесо устанавливают с чуть более отрицательным развалом и немного более положительным кастером.
Естественно, проделать эту процедуру можно лишь в том случае, если таковая возможность предусмотрена. В последнее время автопроизводители стараются избавить сервисменов от забот по регулировке развала, и тем более кастера. Эти параметры все чаще только контролируются. Согласно рекомендациям любая процедура контроля УУК должна предваряться проверкой уровня кузова. Особенно тщательно положение кузова контролируется при измерении кастера – этот параметр напрямую зависит от разницы его уровня впереди и сзади.

20.jpg (62.77КБ)5760 просмотров

Об этом стоит помнить апологетам «буратино-тюнинга», увлекающимся установкой проставок под заднюю часть кузова. Если внешний вид автомобиля, принимающего неприличную позу, – исключительно дело вкуса, то снижение и даже полная потеря скоростной стабилизации управляемых колес – вопрос безопасности, в том числе безопасности ни в чем не повинных «соучастников» дорожного движения. Заметного влияния на износ шин регулировка кастера не оказывает.

Любопытно, что лет тридцать и более тому назад в спецификациях на легковые автомобили можно было увидеть диаметрально противоположную картину – у большинства автомобилей кастер был отрицательным. Причина в том, что тогда был в моде «легкий руль». Поскольку усилитель рулевого управления был в диковинку, инженеры таким способом боролись за то, чтобы автомобиль на скорости рулился «одним пальцем». При этом достаточная скоростная стабилизация колес достигалась благодаря повсеместному применению шин диагональной конструкции. Они более подвержены деформациям, чем шины радиальные. Вследствие этого даже при отрицательном наклоне оси поворота продольный снос боковой реакции оказывался достаточным для создания стабилизирующего момента. Если на такой «ретромобиль» установить современные радиальные шины, он будет рыскать из стороны в сторону. Устранить проблему можно регулировкой кастера – нужно придать углу положительное значение.

Говоря об ориентации оси поворота управляемых колес, нельзя обойти вниманием угол поперечного наклона (SAI – Steering Axis Inclination). Этот параметр подвески иногда относят к группе вторичных. Тем не менее поперечный наклон оси оказывает существенное влияние на поведение автомобиля. Его контроль очень важен при диагностике подвески.

Оси поворота рояльного и мотоциклетного колес лежат в центральной плоскости вращения. На первый взгляд, это неплохой вариант. Почему бы и на автомобиле не использовать аналогичный принцип? Распространено мнение, что автомобилестроители не идут этим путем исключительно из-за конструктивной сложности. Действительно, при существующих схемах подвески проще разместить ось поворота колеса сбоку от него. И все же, если бы это сулило большие преимущества, решение наверняка нашлось бы.

21.jpg (39.72КБ)5760 просмотров

Например, такое, какое было реализовано французскими конструкторами на автомобиле Citroen D в 50-е годы и использовалось вплоть до середины 70-х. Они расположили оба поворотных шарнира двухрычажной подвески внутри обода, в центральной плоскости качения колеса. Для этого пришлось переместить тормозные механизмы на главную передачу. Ось поворота колеса имела небольшой продольный угол наклона, а поперечный угол, плечо обкатки, а также и развал были равны нулю. Что из этого получилось?

По отзывам, автомобиль на скорости уверенно форсировал лужи, грязь, снежную кашу и неровности дороги (даже если они попадались на пути одного из колес) без заметной реакции на руле и без отклонения от прямолинейного движения. Безразличие к неприятным для обычного автомобиля препятствиям объяснимо – любые силы, действующие в плоскости качения колеса, не оказывают никакого воздействия на рулевое управление ввиду отсутствия плеч относительно оси поворота. Несмотря на этот безусловный плюс, «ситроеновская» схема распространения не получила. И не столько из-за некоторого ухудшения эффективности торможения, вызванной изменением места размещения тормозов. Причина в том, что такой способ поворота управляемых колес не позволяет использовать эффект весовой стабилизации рулевого управления и обеспечить его приемлемую чувствительность.

Опять стабилизация? Да, опять. Ведь стабилизация, которая достигается за счет кастера, на то и «скоростная», что работает она только на достаточно высоких скоростях. При движении и маневрировании со скоростью пешехода «эффект рояля» пренебрежимо мал. В этом случае чтобы заставить управляемые колеса сопротивляться отклонению от нейтрального положения и автоматически возвращаться к нему после прекращения действия сил, вызвавших отклонение, используют другой механизм – стабилизацию за счет веса автомобиля, приходящегося на управляемое колесо. Весовая стабилизация возникает главным образом благодаря наклону оси поворота в поперечном направлении. Почему «главным образом»? Потому что «неглавным образом» в весовую стабилизацию колес вносит вклад и кастер, но здесь его влияние второстепенно.

Механизм весовой стабилизации работает так. При повороте колеса его цапфа движется по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна оси поворота. Если ось вертикальна, цапфа перемещается горизонтально. Если ось наклонена, траектория цапфы отклоняется от горизонтали.

22.jpg (39.31КБ)5760 просмотров

У дуги, которую описывает цапфа, появляются вершина и нисходящие участки. Положение верхней точки дуги определяется направлением наклона оси поворота колеса. При поперечном наклоне вершина дуги соответствует нейтральному положению колеса. Значит, при отклонении колеса от нейтрали в любую сторону цапфа (а вместе с ней и колесо) будет стремиться опуститься ниже исходного уровня. Колесо работает как домкрат – приподнимает находящуюся над ним часть автомобиля. «Домкрату» противодействует сила, прямо зависящая от ряда параметров: веса поднятой части автомобиля, угла наклона оси, величины ее поперечного смещения и угла поворота колеса. Она пытается вернуть все в исходную, устойчивую позицию, т.е. повернуть руль в нейтральное положение. Получается, что благодаря поперечному наклону оси поворота автомобиль сам помогает водителю «отруливаться».

Кастер также вносит лепту в весовую стабилизацию рулевого управления. Если ось поворота колеса одновременно наклонена и в поперечном, и в продольном направлении, дуга, которую описывает колесная цапфа, изменяет ориентацию. Ее вершина смещается так, что цапфы обеих колес в нейтральной позиции оказываются на нисходящей части дуги. В результате при повороте руля одна из них движется по дуге вверх, другая – вниз. Итог – крен передней части кузова, увеличение загрузки одного из колес и усиление его весовой стабилизации. Этот эффект также используют для оптимизации положения кузова автомобиля в повороте. Механизм весовой стабилизации работает всегда. На неподвижном или медленно движущемся автомобиле он действует в одиночестве, с увеличением скорости ему все в большей степени аккомпанирует динамическая стабилизация.

Выбор величины SAI – поиск оптимума. С уменьшением поперечного угла эффективность весовой стабилизации снижается. Избыточный наклон приводит к чрезмерному усилию руления при маневрировании, сопровождающемся поворотом колес на большой угол, например при парковке. Определяя положение оси поворота в поперечной плоскости (в том числе и SAI), автомобилестроители наряду с весовой стабилизацией принимают в расчет условие обеспечения оптимального плеча обкатки. С этим параметром подвески также связано немало кривотолков. Например, бытует неверное представление, что оптимум для плеча обкатки – его отсутствие. Якобы, с увеличением плеча возрастает усилие руления.

23.jpg (74.21КБ)5760 просмотров

На самом деле плечо обкатки не оказывает влияния на легкость рулевого управления. Действительно, при наличии плеча обкатки действующие на управляемые колеса продольные силы создают моменты, стремящиеся развернуть их вокруг оси поворота. Но в случае равенства сил на обоих колесах моменты оказываются «зеркальными», т.е. равными и противоположно направленными. Взаимно компенсируя друг друга, они не оказывают воздействия на рулевое колесо. Однако моменты нагружают детали рулевой трапеции растягивающими или сжимающими (в зависимости от расположения плеча обкатки) усилиями. Чтобы ограничить эти нагрузки, плечо обкатки не должно быть излишне большим. Тем не менее в большинстве случаев «его не может не быть».

Плечо обкатки – один из параметров, который влияет на чувствительность рулевого управления. Благодаря ему руль «сигнализирует» водителю о нарушении равенства продольных реакций на управляемых колесах, которое может быть следствием проезда препятствий и неровностей дороги, неравного распределения тормозных сил между правым и левым колесом и т.д. В этих случаях внезапно возникающий дисбаланс моментов продольных сил передается через рулевое колесо на руки водителя. Главное, чтобы «сигнал» не был чрезмерным и не снижал комфортность и безопасность вождения. Это важное условие учитывается при проектировании автомобиля и нередко нарушается (чаще – неосознанно) при его эксплуатации. Дело в том, что на величину плеча обкатки ощутимо влияет конструкция колеса. Модное увлечение широкими колесами с низкопрофильными шинами, а также установка дисков с нештатным вылетом могут вызвать критическое изменение чувствительности рулевого управления.

24.jpg (77.12КБ)5760 просмотров

Плечо обкатки может быть как положительным, так и отрицательным. Обычно отрицательное плечо обкатки применяют на автомобилях с диагональной двухконтурной тормозной системой. Такая мера позволяет стабилизировать поведение автомобиля в чрезвычайной ситуации – при отказе или снижении эффективности одного из контуров. Дисбаланс тормозных сил приводит к появлению момента, стремящегося развернуть автомобиль относительно центра масс. При отрицательном плече обкатки одновременно с этим неравенство сил торможения вызывает поворот управляемых колес в сторону уменьшения разворота автомобиля. Аналогичный механизм работает при внезапном увеличении продольной реакции на одном из управляемых колес. Например, при проколе шины, вызывающем рост силы сопротивления качению. Благодаря отрицательному плечу обкатки колеса и в этом случае поворачиваются так, что парируют самопроизвольный разворот автомобиля.

Плечо обкатки обычно выбирают в пределах плюс 50 минус 20 мм. У некоторых автомобилей с независимой подвеской передних колес в негруженом состоянии оно может достигать 60–80 мм. При положительном плече обкатки SAI в большинстве случаев составляет 6–12°, при отрицательном – 11–19°. Как видно, отрицательные значения плеча получают за счет увеличения SAI. Это позволяет достичь желаемого результата без значительного уменьшения поперечного смещения оси и обеспечить приемлемый стабилизирующий момент.

25.jpg (81.02КБ)5760 просмотров

Поперечный наклон оси поворота управляемых колес, как мы выяснили, влияет на стабилизацию и чувствительность рулевого управления. Поэтому SAI особенно тщательно проверяют при наличии проблем с этими характеристиками автомобиля. Поперечный угол наклона также рекомендуется контролировать в случае бокового дрейфа автомобиля, который не устраняется регулировкой кастера и развала. Его причиной может быть ощутимая (более 1°) разница SAI правого и левого колес. При контроле SAI нужно иметь в виду, что этот параметр зависит от угла развала колеса (с уменьшением развала SAI увеличивается и наоборот), поэтому его проверку обязательно предваряют корректировкой развала. Отклонение SAI от нормы свидетельствует о смещении координат одной или обеих точек подвески, задающих положение оси поворота. Причиной смещения может быть, например, деформация поворотной цапфы, чашки крепления амортизатора, рычага, переднего подрамника или неправильная регулировка последнего, если таковая предусмотрена. Уточнить причину можно одновременно анализируя три параметра подвески передних колес: развал, SAI и включенный угол.


Тема углов установки колес настолько интересная, насколько и объемная. Ее, как и ремонт квартиры, нельзя закончить – можно лишь прервать волевым усилием. Что мы и делаем. В заключение остается высказать несколько соображений. Приступая к рассмотрению основных УУК, мы рассчитывали выявить однозначные закономерности, принципы или правила, которыми руководствуются «подвескостроители» при выборе параметров установки колес. К сожалению, наши расчеты не оправдались. Оказалось, что правил не так много, да и те, что есть, изобилуют большим количеством исключений, что снижает значимость самих правил. Сегодня не существует никаких математических зависимостей или компьютерных алгоритмов, позволяющих заложить исходные данные (конструктивные параметры автомобиля и подвески) и на выходе получить искомый результат – величины схождения, развала, кастера и т.д. Теперь понятно, чем вызвана сложность математического определения УУК. Параметры установки колеса значительно меняются при изменении режима движения и развесовки автомобиля. Изменение одного параметра вызывает одновременное изменение ряда других. Каждый параметр одновременно влияет на несколько характеристик автомобиля. Улучшение одной из них зачастую сопровождается ухудшением другой. Какой характеристике отдать предпочтение, что выбрать в качестве критерия оптимизации? Тем более любопытно, как в таком случае определяют УУК разработчики подвески? Неужто методом «тыка»?

Выбор УУК – комплексная задача, нацеленная на поиск оптимума и решаемая методом последовательных приближений. Решение начинается с кинематического расчета положения колес для различных условий движения. Определение поведения колеса в подвесках относительно простой конструкции (двухрычажной или МакФерсон) трудностей не вызывает. Расчет многозвенных подвесок выполняют с использованием методов компьютерного моделирования. Далее анализируют, как изменение ориентации колеса сказывается на пятне контакта и какие это будет иметь последствия для критических характеристик автомобиля: устойчивости, управляемости, интенсивности износа шин и т.д. Варьируя кинематику подвески, «на бумаге» добиваются приемлемого результата, который становится отправной точкой для самого важного этапа – экспериментальной доводки.

В ходе испытаний выполняют большое количество специальных тестов (движение по прямой, по кругу, в повороте, с «переставкой» и т.п.), регистрируют объективные показатели (угол поворота и усилие на руле, максимальную скорость маневра без отрыва колеса, температуру разных зон протектора и т.д.) и субъективные ощущения тест-пилотов. Зачастую эксперименты начисто перечеркивают теорию и приносят парадоксальные с теоретической точки зрения результаты. Это наводит на мысль, что оптимальный комплекс УУК – своего рода гармония, которую невозможно «поверить алгеброй».

http://razvalanet.ucoz.com

[hck]

Отличный материал, спасибо!

Осилил процентов 20 за первый раз, уже спать пора. В осиленном встретил многое из того, что по крупицам находил и осмысливал из разных источников ранее. Уже разжеванное, печатными буквами. Вобщем всем кто не просто "ездит на бибике" настоятельно рекомендуется вкуривать статью до полного понимания.

[Granin]

Хороший статейка..