Назначение углов установки колес. При движении автомобиля колеса смещаются относительно кузова, причем траектория этого смещения определяется конструкцией так называемого направляющего аппарата подвески, состоящего из рычагов (продольных, поперечных или диагональных) и шарниров (шаровых и резинометаллических). При деформации упругого элемента подвески в результате изменения загрузки автомобиля, преодоления неровностей дороги, кренов кузова под действием центробежных сил при повороте в подвесках большинства конструкций положение колеса относительно кузова меняется, вместе с ним изменяются и все установочные углы.
Техническое состояние ходовой части автомобиля во многом предопределяется правильной установкой углов управляемых колес. Углы управляемых колес выполняют определенные функции при движении автомобиля.
Для того чтобы уменьшить сопротивление движению, а значит и расход топлива, снизить изнашивание шин и подвески, путем снижения действующих на них динамических нагрузок, управляемые колеса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля. Важным фактором повышения устойчивости автомобиля является стабилизация управляемых колес, т. е. стремление их вернуться после поворота в положение, соответствующее прямолинейному движению автомобиля. С учетом перечисленных факторов колеса автомобилей устанавливаются с углами схождения, развала, продольного и поперечного наклона оси, с разностью внутреннего и наружного углов поворота управляемых колес и др. (рис. 12.27).
τ – кастер или угол продольного наклона оси; γ – угол развала; SAI – поперечный угол наклона оси; Qв – угол поворота внутреннего колеса; Qн – угол поворота наружного колеса; А, В – линейные величины схождения
В комплексе эти углы, вместе взятые обеспечивают:
— устойчивое прямолинейное движение автомобиля;
— уменьшение усилия, прикладываемого к рулевому колесу на повороте;
— качение передних колес на повороте, без проскальзывания;
— самовозврат передних колес в прямолинейное положение по окончании поворота;
— смягчение ударов по подвеске колес от неровностей дороги;
— снятие излишних нагрузок с наиболее ответственных деталей и подшипников.
Угол развала колес. Под углом развала колес понимают установку колес, при которой плоскость вращения колеса находится под некоторым углом к вертикальной оси автомобиля (рис.) Если колесо отклонено от вертикальной плоскости наружу автомобиля, то говорят о положительном развале, если колеса отклоняются внутрь — то развал отрицательный. При этом направление взгляда — вдоль оси автомобиля спереди назад.
Развал на автомобиле с независимой или полунезависимой подвеской меняется с изменением крена автомобиля, а также с изменением загрузки.
Развал обеспечивает максимальный контакт протектора колеса с поверхностью дороги при движении автомобиля и устойчивость на поворотах. Развал γ измеряется в градусах, при этом колеса должны находиться в положении прямолинейного движения.
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). Эластокинематические свойства большинства типов современных подвесок таковы, что с увеличением веса, приходящегося на колесо, угол развала уменьшается (рис. 12.27)
Вертикальная сила Rz и сила на нижнем несущем шарнире Fш, действуя на плечо b, создают момент, который воспринимается поперечными рычагами. Момент вызывает пару сил, под действием которых верхние эластичные опоры рычагов сближаются, а нижние – раздвигаются. Из-за податливости опор развал колеса ∆γ уменьшается и несколько увеличивается колея.
При установке колес с углом развала сила реакции дороги при движении автомобиля в прямолинейном положении по ровной дороге в основном передается на внутренний подшипник ступицы колеса, выполняемый обычно большего размера, чем наружный, что разгружает наружный подшипник колеса, а значит, уменьшает толчки, передаваемые на рулевой механизм. Однако при маневрах и проезде неровностей, даже самых незначительных, подшипниковый узел испытывает динамические нагрузки, которые на порядок превышают статические силы.
На выбор величины развала также оказывает влияние профилирование дорожного полотна, в частности поперечное сечение, которое имеет выпуклый профиль. Чтобы при движении автомобиля по дороге, колесо оставалось перпендикулярным к опорной поверхности, ему нужно придать небольшой положительный угол развала.
При поперечном наклоне оси повернуть колесо всегда труднее, чем вернуть его в исходное положение – движение по прямой. Это объясняется тем, что при повороте колеса передняя часть автомобиля приподнимается на небольшую величину, и водитель прилагает сравнительно большое усилие к рулевому колесу.
При возвращении управляемых колес в положение, соответствующее движению по прямой, масса автомобиля помогает поворачиванию колес и водитель прикладывает к рулевому колесу небольшое усилие.
Схождение колес. Если посмотреть на автомобиль во время его прямолинейного движения сверху, то можно заметить, что колеса не совсем параллельны относительно продольной оси. Если плоскости вращения колес пересекаются впереди автомобиля, схождение положительное (toe-in) (рис. 12.28, а), если сзади — отрицательное (toe-out) (рис. 12.28, б). В последнем случае можно говорить о расхождении колес.
Схождение колес задается равными углами Q1 и Q2, либо разницей расстояний А и В. Подобная установка колес применяется как на передней, так и на задней оси.
Вследствие такой непараллельности на колеса во время движения действуют боковые силы. Причем на поворотах, в случае схождения, эти силы стабилизирующие, а в случае расхождения — дестабилизирующие.
При положительном схождении (рис. 12.29, а) возникающая разница сил на колесах противодействует центробежной силе, а при отрицательном способствует ей (рис. 12.29, б).
Угол схождения колес необходим также для того, чтобы обеспечить параллельное качение колес, так как при движении автомобиля из-за установки колес с развалом возникает усилие, способствующее разворачиванию колес на угол 0,5…1,0° от вертикальной плоскости автомобиля, что приводит к качению колес по расходящимся дугам (рис.).
Кроме того, угол схождения предохраняет колеса от проскальзывания при наличии люфта в сочленениях рулевых тяг, подшипниках колес.
Характерной особенностью подвески переднеприводных автомобилей являются близкие к нулю или даже отрицательные значения углов развала и схождения колес. Расположение передних колес под такими углами обеспечивает их параллельность при движении, когда на них передается крутящий момент от двигателя автомобиля.
Поперечный угол наклона оси – угол SAI между осью и вертикалью при наблюдении спереди или сзади автомобиля (во фронтальной проекции) (рис.). Он принимает только положительные значения. Если поперечный угол не от вертикальной, а от центральной плоскости вращения (т.е. включить в него угол развала) получиться совокупный угол, который является конструктивным параметром автомобиля. Он определяет взаимную ориентацию оси поворота и цапфы колеса.
Поперечный угол наклона оси поворота содействует улучшению стабилизации передних колес автомобиля, особенно при небольших скоростях движения (весовая стабилизация). Благодаря поперечному наклону при повороте автомобиля происходит небольшой подъем его передней части. Масса поднятой части автомобиля стремиться вернуть колесо после поворота в положение, соответствующее прямолинейному движению.
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 (рис. 12.30).
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, например, повороте автомобиля, 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».
Поперечный угол наклона оси поворота обуславливает наличие еще одного важного параметра подвески – плеча обкатки. Плечо (радиус r) обкатки – это расстояние от центра пятна контакта до следа оси поворота, т. е. точки, в которой проходящая через ось поворота линия пересекает уровень земли (рис. 12.31).
Если точка пересечения оси поворота колеса с дорогой лежит с внутренней стороны от плоскости вращения колеса, то плечо обкатки положительное (б), с наружной — отрицательное (а) (рис. 12.32), при совпадении оси вращения колеса и середины колеса значение считается нулевым. Для автомобилей с задним приводом рекомендуется плечо обката с нулевым или отрицательным значением.
А, Б – центры шаровых шарниров передней подвески; В – точка пересечения оси поворота с поверхностью дороги; Г – середина пятна контакта шины с дорогой
Другая цель подобной установки колеса относительно оси поворота заключается в следующем. Если одно из управляемых колес имеет меньшее сцепление с дорогой, чем другое (пыльный или мокрый асфальт, неравномерная нагрузка), то при торможении из-за неравенства тормозных сил возникает момент, стремящийся развернуть автомобиль относительно вертикальной оси. В случае положительного плеча обкатки колесо, имеющее лучший контакт с поверхностью, стремится повернуться в сторону, обратную направлению разворота, и, тем самым стабилизирует шасси (рис. 12.33). Точно такой же эффект стабилизации имеет место и при разгоне на передне- или полноприводном шасси.
Следует заметить, что неодинаковое сцепление колес имеет место не только при неоднородности коэффициента трения поперек трассы, но и при движении в поворотах, из-за перераспределения веса между правой и левой сторонами шасси.
Плечо обкатки обычно выбирают в пределах + 50 – 20 мм. У некоторых автомобилей с независимой подвеской передних колес в ненагруженном состоянии оно может достигать 60…80 мм. При положительном плече обкатки в большинстве случаев составляет 6…12°, при отрицательном – 11…19°.
Кастер или угол продольного наклона τ оси (от англ. castеr — колесико для мебели) поворотной стойки определяется величиной наклона верхнего конца оси назад от вертикали, подобно вилке мотоцикла (рис.) Он способствует стабилизации передних колес в направлении прямолинейного движения. Угол продольного наклона оси поворота измеряется либо в градусах, либо характеризуется расстоянием между вертикалью и точкой пересечения осью поворота поверхности.
Для обеспечения стабильности движения, т. е. стремления автомобиля двигаться прямо, недостаточно только поперечного наклона оси поворотной стойки колеса, особенно на большой скорости. Связано это и с появлением дополнительного сопротивления качению и с гироскопическим эффектом, который может вызвать влияние колеса при действии возмущающей силы. Для большей стабильности вводят продольный наклон оси поворотной стойки колеса, благодаря которому точка пересечения оси поворота с поверхностью дороги смещена вперед относительно контакта шины с дорогой на величину С (рис. 12.34). В этом случае возникает эффект динамической стабилизации – под действием силы сопротивления качению FТ и сил в шарнирах FА и FВ колесо стремится занять положение позади точки пересечения оси колеса с дорогой т.е. прямолинейного движения. При этом, чем больше сила сопротивления качению, тем больший момент возвращает колесо в положение прямолинейного движения.
Если в начальный момент отклонения колес от нейтрального положения при прохождении поворота только внешнее колесо имеет необходимый отрицательный развал, то по мере увеличения отклонения колес в сторону поворота внешнее колесо приобретает еще больший отрицательный развал, а отрицательный развал внутреннего колеса уменьшается или даже становится положительным. Таким образом, кастер благоприятно влияет на сцепление управляемых колес в поворотах. Кроме этого, при наличии кастера во время поворота в одну из сторон одно из колес стремится приподнять шасси, другое же само приподнимается. Таким образом, для поворота колес необходимо не только преодолеть силы трения, но и затратить некоторое количество энергии на приподнимание шасси. Благодаря этому и выше описанным боковым силам водитель может «чувствовать» машину.
Все сказанное справедливо для заднеприводного автомобиля. При переднем приводе задача сложней: стабилизацию нужно обеспечить и при тяговом, и при тормозящем усилии на колесе. Положительный угол продольного наклона оси поворотной стойки колеса при разгоне дестабилизировал бы положение колеса. Поэтому на переднеприводных машинах или этот угол делают отрицательным, или смещают ось поворота относительно оси колеса назад, т. е. подвеска делается подобно ножке у рояля, только колесо катится впереди и тянет за собой «ножку».
Учитывая изложенное, можно констатировать 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.
Разность углов поворота управляемых колес (угол Акерманна). При движении автомобиля по окружности постоянного радиуса внешние и внутренние колеса описывают окружности разных радиусов. При этом оси задних колес совпадают с соответствующим радиусом, а оси передних лежат на разных радиусах и, следовательно, передние колеса повернуты на разные углы (12.35). Точнее, внешнее колесо должно быть повернуто на несколько меньший угол, чем внутреннее.
Разность углов поворота передних колес называется углом Акерманна, который растет при уменьшении радиуса поворота. Для обеспечения подобного неодинакового поворота колес рычаги поворотных кулаков расположены под определенным углом к продольной оси шасси (рис. 12.36)
В идеальном случае угол установки рычагов должен обеспечивать поворот колес на точно определенные углы для предотвращения скольжения передних колес.
Увеличение угла Акерманна ведет к смягчению реакции на поворот передних колес. Автомобиль становится более плавным в управлении, мягче и устойчивее проходит повороты. Уменьшение угла Акерманна делает автомобиль плохо управляемым в поворотах, с появлением скольжения колес, что плохо сказывается на сцеплении колес с дорогой и может вызвать ранний снос передней оси.
Максимальный угол поворота. Максимальные углы поворота управляемых колёс – наибольшие углы, на которые могут повернуться колёса при повороте влево или вправо.
Данные углы измеряются таким же способом, как и предыдущие углы: поворотом рулевого колеса до предела и измерением углов внутреннего и внешнего колёс. Сначала измерения производят при повороте рулевого колеса налево, затем при повороте направо.
Максимальный угол поворота колес характеризует максимальный угол, при котором повернется колесо автомобиля при полностью вывернутом руле. И чем меньше этот угол, тем больше точность и плавность управления. Ведь для поворота даже на небольшой угол потребуется лишь небольшое движение рулевым колесом. Однако, чем меньше максимальный угол поворота, тем труднее развернутся в ограниченном пространстве. Производители автомобилей маневрируют между большим радиусом поворота и точность управления, чтобы обеспечить приемлемый максимальный угол поворота.