Углы управляемых колёс. Назначение, устройство.

Введение

Техническое состояние ходовой части автомобиля во многом предопределяется правильной установкой углов управляемых колес, которые выполняют определенные функции при движении автомобиля. Для уменьшения сопротивления движению, а значит и расхода топлива, а также изнашивания 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 колес вернуться после поворота в положение, соответствующее прямолинейному движению автомобиля. С учетом перечисленных факторов для правильной установки колес автомобилей необходимо соблюдать углы развала, схождения, продольного и поперечного наклона оси, а также разность внутреннего и наружного углов поворота управляемых колес.

Полный контроль и регулировка углов установки управляемых колес производится только на легковых автомобилях, имеющих независимую подвеску передних колес и шины с низким давлением воздуха. Для легковых автомобилей даже небольшие отклонения (15…20) от нормы углов развала колес и наклона оси значительно влияют на изнашивание шин и ухудшают устойчивость автомобиля.

 

 

Углы управляемых колёс. Назначение, устройство.

 

Описание Автомобиль должен быть устойчивым во время прямолинейного движения, во время движения в повороте колёса должны катиться без проскальзывания, после поворота автомобиль должен возвращаться к прямолинейному движению, динамические нагрузки, передаваемые на детали подвески должны быть максимально ослаблены.

Для выполнения этих требований колёса автомобиля устанавливают под определёнными углами, а конструкция и кинематика подвески выбирается исходя из основного назначения автомобиля (рис.1).

 

Рисунок 1. Углы установки колёс

В общем случае под углами установки колёс понимают следующие пять параметров:

1. угол развала .

2. продольный наклон оси поворота .

3. поперечный наклон оси поворота .

4. схождение колёс (угол схождения колёс, расхождение колёс) .

5. соотношение углов поворота и углы недоворота колёс.

Если хотя бы один из пяти параметров имеет отклонение от нормы, то появляются следующие неисправности:

1. проскальзывание колёс при движении в поворотах .

2. недостаточная устойчивость автомобиля во время движения .

3. затруднённый возврат рулевого колеса в нейтральное положение .

4. ускоренный износ шин.

Передние колёса автомобиля устанавливаются с отклонением плоскости вращения колеса от вертикальной плоскости. Угол отклонения плоскости вращения колеса от вертикали называется углом развала. Если верхняя часть колеса отклонена наружу, то угол развала считается положительным. Если верхняя часть колеса отклонена внутрь, то угол развала считается отрицательным. В прошлом колёса автомобиля устанавливались с положительным углом развала для увеличения долговечности ступичного узла и обеспечения перпендикулярного расположения колёс относительно выпуклой поверхности дороги.

На современных автомобилях обеспечена требуемая долговечность ступичных узлов, а профиль дороги выполняется плоским, поэтому необходимость установки колёс с положительным развалом отпала. Угол развала современных автомобилей приближается к нулю (ряд моделей имеет нулевой угол развала колёс). Наблюдается тенденция к установке колёс легковых автомобилей с отрицательным углом развала для улучшения поворачиваемости автомобилей (рис. 2)

Рисунок 2. Сход — развал колёс.

Обратить внимание на то, если угол развала колеса отличается от установленного значения (положительного или отрицательного), то это приводит к неравномерному износу протектора. Если колёса автомобиля установлены с большим отрицательным углом развала, то изнашивается внутренняя часть беговой дорожки протектора . если колёса автомобиля установлены с большим положительным углом развала, то изнашивается наружная часть беговой дорожки протектора.

Если к колесу, установленному с развалом, приложена вертикальная нагрузка, то возникает боковое усилие. Если угол развала отрицательный, то боковое усилие от действия вертикальной силы направлено к центру автомобиля . если угол развала положительный, то это усилие направлено от центра автомобиля. Во время поворота на скорости кузов автомобиля накреняется в сторону, противоположенную центру поворота. Угол развала колеса смещается в сторону положительных значений, что приводит к уменьшению боковой силы.

Установка колеса с отрицательным углом развала предотвращает нежелательное увеличение положительного развала и позволяет сохранить высокое значение боковой силы во время поворота автомобиля (рис. 3).

Рисунок 3. Отрицательный и положительный угол развала.

Во время поворота автомобиля угол развала наружного от центра поворота колеса увеличивается в сторону положительных значений, что уменьшает значение центростремительной силы.

Центробежная сила, действующая на автомобиль во время поворотов, вызывает боковой крен кузова. Крен кузова приводит к изменению развала колёс.

Поворот автомобиля на скорости всегда сопровождается действием центробежной силы, которая уравновешивается действием центростремительных сил. Центростремительная сила образуется силами трения в результате упругой деформации и бокового скольжения шин относительно дороги. Эти силы действуют перпендикулярно плоскости вращения колеса и называются боковыми силами (рис. 4).

Рисунок 4. Изменение развала колёс во время поворотов.

При установке колеса с нулевым развалом устраняется неравномерный износ протектора. Установка колёс с отрицательным или положительным развалом приводит к неравномерной деформации шин и появлению неравномерного износа краёв протектора. В случае нулевого развала неравномерного износа протектора не наблюдается (рис. 5)

 Рисунок 5. Установка колеса с нулевым развалом.

Причины установки колёс с положительным развалом (рис. 6):

1. Уменьшение радиальной нагрузки

Если колесо установлено с нулевым развалом, то радиальная нагрузка подшипников ступицы соответствует усилию F’. Если же колесо установлено с положительным развалом, то радиальная нагрузка, передаваемая на подшипники и цапфу, будет соответствовать усилию F.

Это уменьшает изгибающий момент, действующий на поворотную цапфу или поворотный кулак.

2. Устранение люфта подшипников

Усилие F, воспринимаемое колесом, можно разделить на две составляющие: F1 и F2. Усилие F2 действует по оси колеса. Оно как бы прижимает колесо к центру автомобиля. Эта составляющая устраняет люфт в подшипниках колёс.

3. Предотвращение нежелательного отрицательного развала колёс

Установка колеса с положительным углом развала предотвращает нежелательный поворот колеса в сторону отрицательных углов развала, вызванный деформацией рычагов подвески и резинометаллических шарниров под действием веса автомобиля.

4. Снижение усилия поворота колёс

Подробные пояснения приводятся при рассмотрении поперечного угла наклона оси поворота.

Рисунок 6. Установка колеса с положительным развалом

Продольный наклон оси поворота образуется вертикальной плоскостью (рис. 7), перпендикулярной продольной оси автомобиля, и осью поворота.

Продольный наклон оси поворота измеряется в углах. Если ось поворота наклонена назад относительно вертикали, то продольный угол наклона считается положительным, если ось поворота наклонена вперёд, то угол считается отрицательным. Расстояние между точкой пересечения оси поворота с поверхностью дороги до центра пятна контакта колеса определяет плечо боковой силы, действующей во время поворота.

Угол продольного наклона оси поворота влияет на устойчивость прямолинейного движения автомобиля, а плечо, образованное в результате продольного наклона оси поворота, обеспечивает возврат управляемых колёс в нейтральное положение после завершения поворота.      

Обратить внимание на то, что с увеличением положительного угла наклона оси поворота повышается устойчивость прямолинейного движения, но затрудняется поворот автомобиля.

Рисунок 7. Продольный наклон оси поворота

Если ось поворота колеса имеет продольный наклон, то при повороте колеса появляется крутящий момент, стремящийся приподнять кузов автомобиля.

Этот приподнимающий момент препятствует повороту колёс и обеспечивает устойчивость прямолинейного движения автомобиля (рис. 8)

Рисунок 8. Устойчивость прямолинейного движения за счёт продольного наклона оси поворота.

Если ось поворота колеса имеет продольный наклон оси поворота, то точка пересечения оси поворота с поверхностью дороги находится вне пятна контакта колеса (смещена вперёд по направлению движения) (рис. 9). Если на колесо начинает действовать боковая сила, то эта сила создаёт момент, стремящийся повернуть колесо вокруг оси поворота и уравновесить действие боковой силы. За счёт этого достигается устойчивость движения автомобиля.

При повороте рулевого колеса в пятне контакта начинают действовать боковые силы (F2 и F 2). Если ось поворота колеса имеет продольный наклон, то боковые силы создают крутящий момент, стремящийся вернуть колёса в положение движения по прямой.

Чем больше угол продольного наклона оси поворота, тем больше плечо боковых сил и тем больше стабилизирующий момент. Таким образом с увеличением угла продольного наклона оси поворота повышается устойчивость прямолинейного движения и улучшается стабилизация управляемых колёс.

Рисунок 9. Стабилизация управляемых колёс за счёт продольного наклона оси поворота.

Для увеличения плеча боковой силы необходимо увеличивать угол продольного наклона оси

Поворота (рис. 10). Однако плечо боковой силы можно изменить и без изменения продольного наклона оси поворота за счёт смещения центра колеса.

За счёт смещения центра колеса за ось поворота можно увеличить плечо действия боковой силы. За счёт смещения центра колеса вперёд относительно оси поворота можно уменьшить плечо действия боковой силы. Смещение центра колеса относительно оси поворота применяется для коррекции характеристик подвески.

Рисунок 10. Смещение центра колеса относительно оси поворота.

Ось, вокруг которой происходит поворот колеса при повороте рулевого колеса, называется осью поворота (рис. 11, 12). Ось поворота колеса находится соединением центра верхней опоры амортизаторной стойки и центра шарового шарнира нижнего рычага (рассматривается подвеска типа Мак-Ферсон).

Угол между осью поворота колеса и вертикальной плоскостью, параллельной продольной оси автомобиля, называет углом поперечного наклона оси поворота. Если смотреть со стороны передней части автомобиля, то ось поворота наклонена внутрь автомобиля. Угол поперечного наклона оси поворота измеряется в градусах.

Расстояние L между точкой пересечения оси поворота с поверхностью дороги и центром пятна контакта называется плечом обкатки.

      

Рисунки 11, 12. Ось поворота колеса.

Назначение поперечного наклона оси поворота

1. Снижение усилия поворота колёс (рис. 13)

Во время поворота колесо поворачивается относительно оси поворота, причём радиус поворота колеса равен плечу обкатки. Чем больше плечо обкатки, тем больше сопротивление повороту колёс, вызванное моментом сопротивления перекатыванию.

Для уменьшения усилия, необходимого для поворота колёс, следует уменьшать плечо обкатки.

Имеется два способа уменьшения плеча обкатки:

1. Установка колеса с положительным углом развала

2. Придание оси поворота с поперечного наклона.

 

Рисунок 13, 14. Назначение поперечного наклона оси поворота

Смягчение ударов при наезде на препятствия и предотвращение бокового увода автомобиля (рис. 14)

Если плечо обкатки колеса очень большое, то тяговые или тормозные силы колеса создают момент относительно оси поворота, причём величина этого момента пропорциональна плечу обкатки.

Наезд колеса на препятствие вызовет удар на рулевом колесе. Для смягчения ударов на рулевом колесе и предотвращения бокового увода автомобиля необходимо уменьшить плечо обкатки. Если углы поперечного наклона осей поворота левого и правого колёс отличаются друг от друга, то автомобиль будет уводить в ту сторону, с которой угол поперечного наклона меньше (с этой стороны плечо обкатки больше).

Схождением колёс называется разность расстояний, измеренных между точками колёс, лежащими на высоте центров колёс, спереди и сзади. Угол отклонения колёс в горизонтальной плоскости называется углом схождения. Если расстояние между колёсами спереди меньше, чем расстояние между колёсами сзади, то колёса установлены с положительным схождением. В противном случае схождение колёс отрицательно (колёса установлены с расхождением).

Рисунок 15. Схождение колёс.

Раньше схождение предназначалось для обеспечения параллельного качения колёс, установленных с положительным развалом. Если колёса установлены с положительным углом развала, то они стремятся катиться по расходящимся дугам. Для устранения этого явления колёса устанавливали с положительным схождением. В связи с установкой колёс современных автомобилей с отрицательным углом развала и совершенствованием конструкции шин и подвески необходимость в установке колёс со схождением существенно сократилась. Назначение схождения колёс современных автомобилей — в обеспечении устойчивости прямолинейного движения.

Если автомобиль двигается по косогору, то кузов накреняется на одну сторону. При этом автомобиль стремиться повернуть в ту же сторону. Если передние колёса автомобиля установлены с положительным схождением, то автомобиль будет стремиться повернуть в сторону, противоположенную той, в которую накренился кузов. За счёт этого обеспечивается устойчивость прямолинейного движения автомобиля.

Обратить внимание на то, что, если колёса установлены со слишком большим схождением, то это приводит к боковому скольжению (уводу) шин и неравномерному износу протектора. Если велико отрицательное схождение колёс (колёса установлены с расхождением), то это приводит к неустойчивости прямолинейного движения автомобиля.

Если плоскость вращения колеса не совпадает с направлением скорости автомобиля, то качение шины сопровождается боковым скольжением или уводом. В случае установки колёс с положительным схождением или отрицательным развалом боковое скольжение колёс направлено от центра автомобиля.

Радиус поворота автомобиля определяется углами поворота передних управляемых колёс. Для того, чтобы исключить проскальзывание шин во время поворота, правое и левое управляемые колёса должны быть повёрнуты на разные углы.

Рассмотрим пример с автомобилем, у которого поперечная рулевая тяга находится за передней осью. Если поворотные рычаги такого автомобиля параллельны продольной оси автомобиля, то во время поворота углы поворота левого и правого колеса будут одинаковы. Каждое из передних колёс имеет свой центр поворота (01 и 02) (рис. 16 и 17). При этом, несмотря на то, что радиусы поворота колёс одинаковы (r1= r2)одно из колёс будет вынужденно катиться с боковым скольжением.

 

 

Рисунки 16, 17. Радиус поворота автомобиля.

Если поворотные рычаги установлены не параллельно продольной оси автомобиля, то левое и правое колесо повернутся на разные углы (рис. 18 и 19). При этом колёса будут катиться вокруг одного центра поворота (O), но радиусы поворота колёс будут различны (r1 &gt . r2). В этом случае боковое скольжение шин будет отсутствовать.

Если углы поворота управляемых колёс не согласованы друг с другом, то поворот автомобиля будет сопровождаться проскальзыванием шин. Боковое скольжение шины вызывает неравномерный износ протектора.

 

Рисунки 18, 19. Углы поворота.