«В. А. МОЛОДЦОВ БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по ...»

Рулевой механизм служит для передачи усилия от водителя на рулевой привод при одновременном увеличении передаваемых усилий в такой мере, чтобы управление автомобилем не было очень утомительным.

Основным звеном рулевого механизма является рулевая передача.

С помощью рулевой передачи увеличиваются усилия, передаваемые на рулевой привод. Степень увеличения усилий зависит от передаточного числа рулевой передачи. Передаточным числом рулевой передачи называют отношение угла поворота рулевого колеса к углу поворота вала сошки. Чем больше передаточное число, тем меньше усилие, которое водитель должен приложить к рулевому колесу для поворота управляемых колёс. Однако с увеличением передаточного числа увеличивается угол, на который нужно повернуть рулевое колесо для поворота машины с заданным радиусом, что может вызвать запаздывание с поворотом. В то же время малое передаточное число в лёгких условиях движения может привести к слишком быстрому повороту управляемых колёс при движении с высокими скоростями и в результате, к потере устойчивости машины.

На автомобилях, оснащённых усилителем в рулевом управлении, функция увеличения усилий водителя рулевой передачей в значительной мере утрачивается. Она сохраняется в основном для аварийных случаев, когда усилитель не работает.

Практикой в настоящее время установлены следующие средние значения передаточных чисел рулевых передач:

– для лёгких автомобилей – 16 – 20;

– для автомобилей повышенной грузоподъёмности – 20 – 27.

Качество рулевого управления в целом в значительной мере зависит от конструкции рулевого механизма. Рулевой механизм должен удовлетворять следующим основным требованиям:

– не препятствовать стабилизации управляемых колёс, т.е. рулевая передача должна быть обратимой;

– иметь высокий КПД (коэффициент полезного действия) для облегчения управления и уменьшения износов рулевой пары; при этом целесообразно иметь высокий КПД в направлении от рулевого колеса и несколько меньший в обратном направлении, чтобы толчки и удары колёс о неровности дороги не передавались на рулевое колесо;

– обеспечивать необходимую величину и характер изменения передаточного числа рулевой передачи;

– иметь минимальное число регулировок при обеспечении возможности регулировки зазора в зацеплении рулевой пары.

Рулевые механизмы классифицируют в зависимости от расположения на шасси и типа рулевой передачи. Они могут быть расположены в отделении управления (кабине) справа, слева или в средней части; могут быть передние и задние посты управления, когда имеются два поста управления.

Рулевые передачи разделяют:

– по характеру изменения передаточного числа на передачи с постоянным и переменным передаточным числом;

– по конструкции рулевой пары на червячные, винтовые, кривошипные и реечные.

Применяемые на отечественных колёсных машинах червячные передачи в зависимости от конструкции червяка и сопряжённого с ним ведомого элемента подразделяются на передачи глобоидальный червяк– ролик и цилиндрический червяк–сектор.

Из винтовых рулевых передач на отечественных автомобилях применяются передачи винт–гайка–сектор с циркулирующими шариками в нарезке между винтом и гайкой.

Есть и другие менее распространённые типы рулевых передач.

Однако в конечном счёте вечный рулевой механизм, ранее отклонённый из-за его восприимчивости к люфту, стал доминирующим типом, поскольку были найдены способы преодоления этого недостатка. Сегодня это почти единственный механизм, используемый в легковых автомобилях и лёгких коммерческих транспортных средствах. С тех пор были найдены способы проектирования зубьев рейки так, чтобы получить передачу с плавным изменением передаточного числа. При перемещении шестерни рядом с центральным положением (рулевое колесо поворачивается на незначительные углы) передаточное число рулевого колеса более чем на один поворот в любом направлении увеличивается для облегчения маневрирования автомобиля.

Как уже было сказано, спокойное и точное управление чрезвычайно затруднено, если колёса не возвращаются в прямолинейное положение. Однако стабилизирующий эффект также не должен быть слишком велик: кроме увеличения усилия поворота, имеется опасность, что, если водитель просто выпустит колесо при входе в поворот, рулевое управление будет стремиться перейти в прямое положение (в положение, соответствующее прямолинейному движению) и привести к потенциально опасному состоянию. Для того чтобы избежать этого и обеспечить дополнительную защиту против передачи ударов от дороги, некоторые системы рулевого управления оборудованы амортизаторами, которые гасят колебания более высокой частоты, чем те, которые может создать водитель.

Внимание к деталям может значительно уменьшить усилие при управлении и улучшить чувствительность за счёт уменьшения трения.

В 1995 году на Ford Fiesta, например, было уменьшено усилие и улучшена чувствительность за счёт сокращения на 50% трения в шаровом шарнире, уменьшения угла в карданном шарнире рулевой колонки с 39 до 28°, и ужесточение допусков по сравнению с предшествующей моделью.

Рулевой привод предназначен для передачи усилий от рулевого механизма к управляемым колёсам и для обеспечения поворота управляемых колёс на требуемые углы.

Конструкция рулевого привода должна исключать самопроизвольный поворот управляемых колёс при их вертикальных перемещениях. А это означает, что кинематика перемещения колёс в подвеске и размещение элементов рулевого привода должны быть согласованы.

Конструкция шарниров рулевого привода должна способствовать уменьшению передачи толчков от ударов колёс о неровности дороги на рулевой механизм и одновременно обеспечивать постоянство расстояния между центрами шарниров поперечной рулевой тяги, а также не допускать зазоров в шарнирах для обеспечения стабильной кинематики привода и заданных углов установки (схода) колёс.

Рулевой привод характеризуется передаточным числом и точностью обеспечения необходимого соотношения между углами поворота управляемых колёс.

Передаточное число рулевого привода определяется как отношение угла поворота вала рулевой сошки к углу поворота управляемых колёс.

Это передаточное число в выполненных конструкциях равно 0,85 – 1,1.

Необходимое соотношение между углами поворота управляемых колёс определяется уравнением (2.118) Разница между расчётными значениями углов практически обеспечиваемым приводом не должна превышать 2%.

Рулевые приводы классифицируют по следующим признакам:

– по расположению рулевой трапеции относительно управляемой оси: с задним расположением; с передним расположением;

– по конструкции рулевой трапеции: с цельной поперечной тягой (обычно при зависимой подвеске); с разрезной поперечной тягой (обычно при независимой подвеске).

Схема рулевой трапеции с неразрезанной поперечной тягой показана на рис. 2.35. Сплошными линиями дана форма рулевой трапеции при заднем расположении и штриховой линией – при переднем.

Определяемое уравнением (2.147) соотношение между углами поворота управляемых внешнего и внутреннего колёс обеспечивается выбором параметров трапеции. Отношение длины рулевого рычага к длине поперечной рулевой тяги m/n = 0,12/0,16. Угол трапеции определяется соотношением Величина х в этом равенстве по имеющимся рекомендациям изменяется в пределах 0,7 х 1 в зависимости от отношения Вш / L и характеристики шин.

При увеличении числа управляемых колёс и применении независимой подвески схема привода и конструкция его узлов усложняются.

Для обеспечения жёсткости и снижения массы тяги рулевого привода выполняются полыми. Конструкции шарниров тяг различаются устройством для обеспечения отсутствия зазоров в шарнирах и работой регулировочных устройств.

2.7.3. Усилители рулевого управления Управление тяжёлым и в особенности многоосным автомобилем требует значительных энергетических затрат.

Облегчить поворот управляемых колёс можно увеличением передаточного числа рулевого механизма. Однако при повышенных значениях передаточных чисел маневрирование затрудняется, а энергетические затраты водителя на управление машиной не снижаются. Это является одной из причин применения усилителей рулевого управления.

Применение усилителей позволяет повысить также и безопасность движения при повреждениях шин, так как в этих случаях водитель с помощью усилителя может удержать колёсную машину на заданной траектории движения (в пределах полотна дороги).

Усилители демпфируют удары, существенно разгружая детали рулевого управления, что очень важно при движении автомобилей по местности и разбитым дорогам.

На автомобилях применяют в основном гидравлические усилители. Гидравлические усилители получили большее распространение вследствие ряда преимуществ их перед пневматическими (лучшее быстродействие, способность к демпфированию ударов; меньшие габариты, масса, объём технического обслуживания и т. д.).

В систему усилителя рулевого управления входят источник энергии (гидравлический насос с приводом от двигателя), управляющее устройство (распределитель золотникового или клапанного типа), исполнительный цилиндр и вспомогательная аппаратура (фильтр, предохранительный клапан, бак, краны, шланги и т. д.).

Компоновочные схемы усилителей разделяются по принципу размещения основных элементов рулевого управления. Раздельное размещение рулевого механизма, распределителя и исполнительного устройства позволяет разгрузить часть деталей рулевого управления от ударов со стороны неровностей дороги. При этом облегчается компоновка деталей рулевого управления и сохраняется обычный рулевой механизм.

Недостатками этой системы являются увеличение длины шлангов и склонность к автоколебаниям управляемых колёс из-за повышенной упругости системы усилителя и привода.

Совместное размещение рулевого механизма, распределителя и исполнительного цилиндра обеспечивает повышенную чувствительность усилителя к управляющему сигналу, устойчивость к колебаниям, уменьшение длины шлангов.

Однако большая часть деталей привода остаётся не защищённой от ударов, картер рулевого механизма более сложный.

Можно с уверенностью сказать, что среди новых легковых автомобилей больше тех, что оснащены усилителем рулевого управления (PAS), чем тех, у которых его нет.

Два фактора повлияли на это. Первый из них – тенденция конструкторов использовать преимущества (PAS) для получения характеристик, которые иначе делали бы управление тяжёлым или с большим передаточным числом. Второй – способность (готовность) потребителя оплачивать системы, которые облегчают вождение.

Системы PAS обычно работают, используя систему контрольных клапанов, уменьшая усилие управления, а не управляя непосредственно через систему сервоклапанов, которая требовала бы более высоких давлений.

В подавляющем большинстве, как было сказано выше, в гидравлических системах PAS давление от управляемого двигателем насоса намного больше необходимого – это потерянная энергия. Было установлено, что насос PAS обычно может поглощать до 2 кВт даже тогда, когда гидроусилитель не используется. Полное использование мощности имеет множество преимуществ, включая интересную способность возвращать рулевое управление в нейтральное, когда транспортное средство неподвижно, и пока двигатель работает, обеспечивая усилитель энергией.

Для обеспечения безопасности конструкция PAS должна быть сделана с возможностью возврата к ручному управлению в случае нарушения герметичности гидропровода или других неисправностей.

Ведущие автопроизводители постоянно работают над повышением конструктивной безопасности, совершенствуя конструкцию рулевого управления.

Такие изготовители, как ZF, продолжили искать пути создания гидравлического усилителя, более лёгкого, более дешёвого и менее энергоёмкого, особенно при установке на автомобили малого класса, теперь проявляется гораздо больше интереса к усилителям, которые имеют электрический или электрогидравлический привод. Во втором случае система сохраняет гидравлический привод, но давление обеспечивается с помощью электрического насоса, а не приводимого двигателем насоса. Альтернативой является избавление от гидравлики полностью и переход к системе, в которой дополнительная мощность (или даже весь привод) обеспечивается электродвигателем. Эта система известна как EPAS – электрический усилитель рулевого управления.

Оба новых типа усилителя потребляют энергию только тогда, когда необходима помощь рулевому управлению, а их установка более простая, потому что не требуется дополнительной конструкции по механическому подключению управляемого насоса к ременному приводу от коленчатого вала. Чистая электрическая система состоит, по существу, из электродвигателя, пристроенного к рулевому приводу, модуля управления и соответствующих датчиков. Наиболее важным является датчик момента поворота управляемых колёс автомобиля. Электрогидравлическая конструкция усилителя всё ещё требует ёмкости для жидкости гидравлического насоса, приводимого в действие электрическим двигателем, гидроцилиндра или мотора и трубопроводов, хотя данная конструкция может уместиться в чрезвычайно компактный модуль.

Полностью электрические усилители имеют дополнительное преимущество, они легко настраиваются в зависимости от скорости движения автомобиля, модулируя сигнал управления на двигатель. Незначительное преимущество EPAS – возможность получать небольшое количество дополнительной мощности от аккумуляторной батареи, даже когда двигатель не работает. Самое большое неудобство (недостаток) любых EPAS, по сравнению с гидравлическими усилителями, это то, что они являются дополнительной нагрузкой в системах электроснабжения автомобиля, которые во многих случаях уже близки к своему пределу.

Этот недостаток станет менее важным, когда автомобили начнут оснащаться электрическими системами с более высоким напряжением.

Среди самых первых автомобилей, использующих EPAS, были спортивные автомобили Honda NS-X, MGF и Toyota MR2 с центральным расположением двигателя, в которых применение обычного гидравлического усилителя привело бы к передаче большого давления жидкости по длинным трубопроводам, проходящим через салон к рулевому приводу. Кроме особых случаев, первое серийное применение EPAS было использовано в маленьких переднеприводных автомобилях, например в Renault Twingo и Fiat Punto, а также в экспериментальных моделях. В этих маленьких автомобилях достаточная мощность для управления может быть получена от компактного 12V электродвигателя. Применение EPAS на больших и более тяжёлых транспортных средствах будет, вероятно, ждать внедрения 36V электрических систем.

Delphi, который поставляет свои EPAS для Fiat Punto, утверждает, что переход от гидравлического к электрическому усилителю приводит к повышению эффективности и экономии. Испытания, проведённые компанией на автомобиле сегмента В, оснащённом электрическим рулевым механизмом вместо стандартной гидросистемы, показали экономию до 0,3 л/100 км от общего расхода топлива или 0,5 с выигрыша во времени, при разгоне с места до 100 км/ч, и 3 с выигрыша во времени, при разгоне с места на пути в 400 м.

Как утверждает Delphi, ещё одним преимуществом является то, что инциденты с гидравлическим насосом и шлангами (которых электрический рулевой механизм не имеет) составляют 53% всех гарантийных рекламаций системы во всей промышленности. Delphi также указывает на лёгкость, с которой характеристики EPAS могут быть изменены, чтобы удовлетворить различные потребности. Fiat Punto имеет выключатель, управляемый водителем, который вдвое увеличивает усиление рулевого управления при движении по городу с низкой скоростью и при постановке автомобиля на стоянку.

2.7.4. Требования к техническому состоянию рулевого управления С учётом конструктивных особенностей и надёжности технические характеристики рулевого управления в процессе эксплуатации снижаются, что практически влияет на управляемость и тем самым на безопасность движения автомобиля.

В частности, ГОСТ Р 51709–2001 устанавливает для транспортных средств, находящихся в эксплуатации [1]:

изменение усилия при повороте рулевого колеса должно быть плавным во всём диапазоне его поворота. Неработоспособность усилителя рулевого управления АТС (при его наличии на АТС), подтекания в гидросистеме усилителя руля не допускаются;

самопроизвольный поворот рулевого колеса с усилителем рулевого управления от нейтрального положения при неподвижном состоянии АТС и работающем двигателе не допускается;

максимальный поворот рулевого колеса должен ограничиваться только устройствами, предусмотренными конструкцией АТС;

повреждения и отсутствие деталей крепления рулевой колонки и картера рулевого механизма, а также повышение подвижности деталей рулевого привода относительно друг друга или кузова (рамы), не предусмотренное изготовителем АТС (в эксплуатационной документации), не допускаются. Резьбовые соединения должны быть затянуты и зафиксированы способом, предусмотренным изготовителем АТС. Люфт в соединениях рычагов поворотных цапф и шарнирах рулевых тяг не допускается. Устройство фиксации положения рулевой колонки с регулируемым положением рулевого колеса должно быть работоспособно;

применение в рулевом механизме и рулевом приводе деталей со следами остаточной деформации, с трещинами и другими дефектами не допускается.

Комплексным параметром, характеризующим соответствие рулевого управления требованиям безопасности, является суммарный люфт рулевого управления (сумма углов поворота рулевого колеса от нейтрального до крайних правого и левого положений), который не должен превышать предельных значений, установленных изготовителем в эксплуатационной документации, или, при отсутствии данных, установленных изготовителем, следующих предельных значений:

– легковые автомобили и созданные на базе их агрегатов грузовые автомобили и автобусы – 10°;

– автобусы – 20°;

– грузовые автомобили – 25°.

Управляемость – свойство транспортного средства сохранять направление движения, заданное водителем, с определёнными затратами физической и психической энергии.

Необходимые качества управляемости могут быть достигнуты применением эффективных механизмов управления автомобилем.

Механизм управления автомобилем предназначается [15]:

– для (поддержания заданного направления движения автомобиля при воздействии водителя на органы управления;

– для обеспечения хорошей поворотливости автомобиля, определяемой скоростью поворота, а также величиной минимального радиуса поворота и возможностью их реализации по условию сцепления колёс и запасу тяги по двигателю минимальном скольжении колёс на повороте;

– для обеспечения стабилизации траектории прямолинейного движения.

Кроме того, механизм управления должен обеспечивать желаемые величины и характер изменения усилий на органах управления, а также не допускать воздействия ударов колёс о неровности дороги на руки водителя.

Способы и схемы поворота автомобилей Автомобили могут поворачиваться тремя способами: поворотом управляемых колёс, притормаживанием неуправляемых колёс одного борта («поворот по гусеничному»), поворотом звеньев автомобиля относительно друг друга (одноосные тягачи, двухзвенные или сочленённые машины).

Для автомобилей наиболее распространённым является первый способ поворота – поворот управляемыми колёсами. При этом способе оси управляемых колёс поворачиваются вокруг некоторых вертикальных цапф (поворотных шкворней) так, чтобы в плоскости поворота они пересекались в одной точке, называемой центром поворота. Центр поворота определяет радиус поворота автомобиля, а следовательно, и крутизну поворота.

При изменении направления движения автомобиля поворотом управляемых колёс показатели, характеризующие криволинейное движение, существенно зависят от числа, расположения и величин углов поворота управляемых колёс [15].

Для двухосного автомобиля с передними управляемыми колёсами схема поворота показана на рис. 2.36 без учёта явления увода. Оси управляемых передних колёс должны поворачиваться так, чтобы в плоскости поворота они пересекались в одной точке О, лежащей на продолжении оси задних колёс. Эта точка называется центром поворота.

В этом случае все колёса катятся по дугам концентрических окружностей с минимальным скольжением в контактах с дорогой. Из схемы видно, что управляемые колёса – наружное и внутреннее относительно расположения центра поворота – надо поворачивать на разные углы.

Рис. 2.36. Схема поворота двухосного автомобиля Соотношение между углами поворота определяется следующим образом:

При максимальном угле поворота внутреннего колеса (в) 28 – 30° разница в – н составляет 4–5°.

Положение центра поворота О определяет величину радиуса поворота. В технических характеристиках колёсных машин приводят минимальный радиус поворота по колее наружного управляемого колеса. Из ОАВ этот радиус ОА В теории поворота радиус поворота автомобиля определяют как расстояние от центра поворота до продольной оси машины. Из схемы на рис. 2.36 видно, что этот радиус поворота где можно принять При повороте автомобиля её манёвренность дополнительно характеризуется поворотным коридором. Поворотным коридором называется ширина полосы, определяемая расстоянием между наиболее удалённой колеей и наиболее близкой колеёй автомобиля при повороте от центра поворота. На рисунке 2.36 ширина поворотного коридора Sп = ОА – ОС Типовые схемы поворота двух-, трёх- и четырёхосных машин показаны на рис. 2.37. При сравнительной оценке схем учитывают, как та или другая схема влияет на показатели манёвренности и проходимости колёсной машины, а также конструктивную сложность схемы и возможное влияние её на компоновку машины.

Рис. 2.37. Схемы поворота автомобиля Схема поворота двухосной машины с передними управляемыми колёсами обеспечивает простоту устройства рулевого привода, хорошую стабилизацию прямолинейного движения, однако минимальные радиусы поворота в этом случае сравнительно велики. При повороте на мягких грунтах затраты мощности увеличиваются, и проходимость несколько снижается вследствие образования четырёх или шести колей (при задних двускатных колёсах). Для снижения этих недостатков применяют схему с передними и задними управляемыми колёсами. В этом случае при одинаковых углах поворота наружных колёс радиус поворота уменьшается вдвое, уменьшается и ширина поворотного коридора:

При такой схеме поворота улучшается проходимость по мягким грунтам, поскольку при повороте задние колёса катятся по колее, проложенной передними колёсами. Наличие передних и задних управляемых колёс усложняет рулевой и силовой привод к колёсам, несколько ухудшает устойчивость движения на повышенных скоростях.

Для улучшения устойчивости движения таких автомобилей на повышенных скоростях отключают и стопорят задние управляемые колёса.

Для повышения манёвренности в некоторых, редких, случаях для двухосных крупногабаритных машин предусматривается возможность поворота передних и задних колёс в одном направлении, что позволяет двигаться машине одновременно вперёд и вбок.

Двухосные автомобили только с задними управляемыми колёсами применяются в основном на автопогрузчиках.

2.7.6. Явление увода колёс и поворачиваемость автомобиля Явление увода колеса с эластичной шиной Приведённые схемы поворота (рис. 2.37) справедливы при достаточно жёстких в боковом направлении шинах. На современные автомобили устанавливают шины эластичные в боковом направлении, и это оказывает большое влияние на поведение автомобиля при движении, на его управляемость и устойчивость.

Под управляемостью понимается свойство автомобиля изменять показатели, характеризующие криволинейное движение путём воздействия водителя на органы рулевого управления.

Под устойчивостью автомобиля понимается его свойство двигаться в разнообразных дорожных условиях без опрокидывания и без бокового скольжения колёс.

Если при качении жёсткого колеса на него действует боковая сила Рб, то колесо будет продолжать движение в плоскости качения до тех пор, пока Рб Gк, после чего начинается скольжение колеса вбок.

Если колесо снабжено эластичной шиной, то действие на него любой по величине боковой силы Рб заставляет колесо двигаться под некоторым углом (рис. 2.38, а) к плоскости качения – углом увода.

Сущность явления увода заключается в том, что при действии боковой силы на колесо обод за счёт упругих свойств шины смещается в сторону действия боковой силы. При перекатывании колеса такое смещение обода заставляет двигаться колесо под углом к плоскости его качения, так как каждая новая точка шины, входящая в контакт с дорогой, смещается по отношению к предыдущей.

Между углом увода и величиной боковой силы существует зависимость (рис. 2.38, б), которая выражается уравнением где K – коэффициент сопротивления уводу, Н/град или Н/рад.

Рис. 2.38. Качение колеса с эластичной шиной:

а – схема качения колеса с эластичной шиной при действии боковой силы;

Зависимость, показанную на рис. 2.38, б, можно разделить на два участка. Первый участок можно считать линейным (K = const), он характеризует процесс, когда боковое скольжение шины практически отсутствует. Второй – криволинейная часть, где коэффициент сопротивления уводу снижается, указывает на наличие бокового скольжения, возрастающего с ростом боковой силы.

Величина коэффициента бокового увода зависит в основном от размеров и конструкции шины и обода, внутреннего давления воздуха в шине, а также от вертикальной нагрузки. На линейном участке эта величина для шин автомобилей изменяется в пределах 50 – 130 кН/рад.

Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колёс. Различают шинную и креновую поворачиваемость автомобиля [1].

Креновая поворачиваемость автомобиля связана с конструкцией его подвески. Креновая поворачиваемость зависит от угла поперечного крена кузова. Максимальный угол крена ограничивается упорами, предусмотренными в конструкции подвески.

Креновая поворачиваемость автомобиля тесно связана с шинной поворачиваемостью, так как увод колеса возникает не только под действием сил и моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (развале).

Развал колеса, равный 1°, вызывает увод на угол 10 – 20°.

При движении на повороте автомобили с колёсами, снабжёнными эластичными шинами, составляющие центробежной силы, приложенные к передней и задней осям, заставляют колёса катиться с уводом.

В этом случае для нахождения мгновенного центра поворота машины необходимо определить направление векторов двух каких-либо точек машины, учитывая увод колёс. В качестве этих точек для двухосной машины выберем середины передней и задней осей (рис. 2.39). Углы увода 1 и 2 зависят от углов увода колёс и могут быть определены как полусумма углов увода правого и левого колёс соответственно передней и задней осей. Углы 1 и 2 будем называть углами увода осей. Угол ср определяется как полусумма углов поворота передних управляемых колёс. Мгновенный центр поворота О лежит на пересечении перпендикуляров к направлениям скоростей в средних точках передней и задней осей. Положение мгновенного центра О определяется двумя координатами R (расчётный радиус поворота) и С (смещение мгновенного центра относительно задней оси автомобиля).

Из рисунка 2.39 следует снабжённого эластичными шинами, на повороте откуда При малых углах поворота колёс и увода можно считать tg 2 = 2;

tg (ср – 1) = ср – 1, тогда выражения для R и С примут вид Радиус поворота автомобиля, определяемый расстоянием от центра поворота до колеи переднего наружного колеса, приближённо можно найти из выражения Входящие в уравнения (2.124) углы увода 1 и 2 могут быть выражены следующим образом:

Считая углы поворота управляемых колёс малыми, а движение автомобиля круговым с постоянной скоростью Vа, можно центробежную силу S, приложенную к центру тяжести, определить следующим образом:

где Ga – вес машины, кгс; g – ускорение силы тяжести, м/с2; R – радиус поворота, м; 13 – коэффициент для перевода скорости из размерности км/ч в размерность м/с.

Центробежная сила S распределяется по осям обратно пропорционально расстояниям от центра тяжести Вес автомобиля по осям распределяется аналогично Из уравнений (2.136), (2.137), (2.138) можно записать Определив значения Рб1 и Pб1 из уравнения (2.130) и подставив их в уравнения (2.126), получим После подстановки значений 1 и 2 в уравнение (2.125) и решения относительно R получим Из уравнений (2.124 и 2.132) видно, что радиус поворота зависит не только от величины базы и среднего угла поворота управляемых колёс, но и от скорости движения, положения центра тяжести и углов увода осей. На качество криволинейного движения автомобиля сильное влияние оказывает соотношение между углами увода осей.

Если 1 = 2; R = ; С = 2, принято считать, что автомобиль обладает нейтральной поворачиваемостью. У автомобиля с нейтральной поворачиваемостью расчётный радиус поворота R зависит только от угла поворота передних колёс.

Если 1 > 2, то разность 2 – 1 является отрицательной, вследствие чего знаменатель правой части уравнения (2.124) уменьшается, а величина R увеличивается. Автомобили, у которых радиус поворота увеличивается в связи с уводом, называют машинами с недостаточной поворачиваемостью. Такие машины в некоторых случаях, например на больших скоростях движения, плохо вписываются в поворот.

Если 1 < 2, то разность 2 – 1 положительная, вследствие чего знаменатель правой части уравнения (2.124) увеличивается, а величина R уменьшается. Автомобили, у которых в связи с уводом радиус поворота уменьшается, называют машинами с избыточной поворачиваемостью. У автомобилей со свойствами избыточной поворачиваемости с увеличением скорости движения на повороте радиус поворота уменьшается, причём возможно прогрессивное уменьшение радиуса поворота вплоть до опрокидывания или заноса автомобиля.

На первый взгляд, наиболее целесообразно иметь автомобиль с нейтральной поворачиваемостью. Однако создать автомобиль со стабильным свойством нейтральной поворачиваемости практически невозможно ввиду нарушения этого свойства при любом смещении центра тяжести, возможном в эксплуатации, или изменения коэффициентов сопротивления уводу. Поэтому обычно стремятся придать автомобилю свойства недостаточной поворачиваемости для повышения безопасности движения. Это свойство может быть обеспечено смещением центра тяжести вперёд (соответствующее распределение нагрузок по осям) либо уменьшением коэффициента сопротивления уводу передних колёс по сравнению с задними (например, снижение давления воздуха в передних колёсах или, наоборот, повышение давления в задних колёсах). При нарушении качества поворачиваемости при эксплуатации автомобиля восстановить недостаточную поворачиваемость можно перемещением груза, регулированием давления воздуха в шинах.

НА БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ

Плавностью хода называют свойство автомобиля двигаться по неровным дорогам без больших колебаний подрессорных масс (кузова) и колёс. Эти колебания влияют на эксплуатационно-технические качества автомобиля – плавность хода, возможность двигаться с высокими скоростями, на расход топлива, а также на устойчивость и управляемость.

Колебания автомобиля определяют, прежде всего, её плавность хода, т.е. возможность перевозки людей без неприятных для них ощущений и быстрой утомляемости.

Приближённым общим критерием для оценки плавности хода автомобиля является частота колебаний её корпуса (кузова).

Практика показывает, что лучшая плавность хода достигается при частоте колебаний кузова 60 – 90 в мин, что соответствует средней частоте шагов при обычной ходьбе человека. Если корпус колеблется со значительно большей частотой, то колебания воспринимаются человеком как тряска. С другой стороны, если частота колебаний корпуса очень мала, то у человека также возникают болезненные ощущения и возможны проявления «морской болезни».

Для более полной характеристики плавности хода надо определить ускорения перемещения при колебаниях корпуса и колёс, а также знать частоту этих колебаний.

Согласно межгосударственному стандарту, регламентирующему оценку воздействия вибрации автомобилей на человека, установлены предельные значения среднего квадратического ускорений. Эти значения нормированы в зависимости от направления и продолжительности действия ускорений для трёх ступеней: предела воздействия, порога снижения производительности труда, порога снижения комфорта [13].

На рисунке 2.40 показаны кривые ускорений, соответствующие порогу снижения производительности труда при различной частоте и продолжительности воздействия (от 1 мин до 8 ч). Для определения предела воздействия указанные значения увеличивают вдвое, а для определения нижней границы комфорта уменьшают в 3,15 раза. Наиболее чувствительны для человека частоты в диапазоне 4 – 8 Гц, при которых ощущения соответствуют ускорениям. Такие же ощущения для других частот соответствуют большим ускорениям при меньшей продолжительности колебаний.

Рис. 2.40. Зависимости ускорений от частоты а – вертикальные ускорения; б – горизонтальные ускорения Для защиты водителя и пассажиров от вредных воздействий колебаний улучшают характеристику сидений. Сиденье делают отдельным от спинки. Подушки сидений обычно имеют жёсткость 80...120 Н/см у легковых автомобилей и 150...200 Н/см у грузовых автомобилей и автобусов. В целях поглощения вибраций, шума и уменьшения давления тела человека на подушку в верхней её части устраивают матрац из ваты, губчатой резины, поролона. Для гашения колебаний человека на подушке в сплошном (фанерном) днище сиденья делают небольшие отверстия. Воздух, проходя через отверстия при перемещениях человека, создаёт дополнительное сопротивление, что позволяет быстрее гасить колебания.

Частота собственных колебаний пассажира на сиденье находится в пределах 2,0...3,0 Гц, а при особенно комфортабельных сиденьях снижается до 1,0...1,5 Гц. При мягкой подвеске автомобиля сиденья делают сравнительно жёсткими. У автомобилей с жёсткой подвеской, напротив, применяют мягкие сидения.

Характеристика плавности хода, как показывают дорожные испытания, зависит в основном от качества подвески. Назначение подвески заключается в передаче и распределении веса автомобиля между колёсами, в передаче сил и моментов, действующих на колёса и корпус (раму), в смягчении динамических нагрузок и в придании колебаниям корпуса желательного характера [15].

К подвеске относится совокупность деталей и устройств, связывающих колёса (мосты) с корпусом (рамой) автомобиля.

Подвеска автомобиля состоит из упругого элемента, амортизаторов и направляющего устройства.

Упругий элемент подвески уменьшает воздействие вертикальных динамических нагрузок на корпус, наличие упругого элемента одновременно приводит к появлению колебаний корпуса.

Амортизаторы способствуют быстрому гашению колебаний корпуса и приданию этим колебаниям желательного характера.

Направляющее устройство передаёт продольные и поперечные силы от колёс на корпус и определяет характер перемещения колёс относительно корпуса.

Подвески классифицируются в зависимости от типа упругого элемента, амортизатора и направляющего устройства.

По типу упругого элемента различают подвески с металлическими (листовая рессора, торсион, витая пружина) и неметаллическими упругими элементами (резина, пневматический или гидропневматический упругий элемент). Возможны и другие типы упругих элементов.

В подвеске применяют гидравлические амортизаторы телескопические и поршневые.

По направляющему устройству различают зависимые и независимые подвески. При зависимой подвеске правое и левое колёса одной оси связаны балкой моста, подвешенной через рессоры к корпусу (раме). Поэтому от положения одного колеса зависит положение другого.

При независимой подвеске каждое колесо подвешено к раме отдельно, и положение одного из них не зависит от перемещения другого.

Подвеска должна удовлетворять следующим основным требованиям:

– обеспечивать высокую плавность хода, малые крены корпуса при поворотах, не допускать сильных ударов в ограничители хода и отрыв колёс от дороги;

– эффективно гасить колебания корпуса;

– обеспечивать постоянство углов наклона шкворней и колёс и постоянство колеи, а также не допускать поворот колёс при их перемещении относительно корпуса;

– надёжно передавать от колеса к корпусу (раме) горизонтальные силы и моменты;

– быть прочной и долговечной.

2.9. КОЛЕБАНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЁС АВТОМОБИЛЯ

Управляемые колёса, передний мост, подвеска и рулевой привод представляют собой упругую инерционную систему, которая при наличии возмущающих импульсов может сопровождаться появлением нежелательных и опасных колебаний передних управляемых колёс автомобиля («шимми»).

Приведённая динамическая система имеет две степени свободы.

Так, передний мост вследствие упругой деформации рессор может Рис. 2.41. Колебательная система управляемых колёс автомобиля перемещаться относительно продольной оси автомобиля (относительно точки О на рис. 2.41, а) на угол, а колёса вследствие упругой деформации привода управления – на угол относительно оси шкворня (точка на рис. 2.41, б).

При значительной скорости, обычно превышающей 70 км/ч, управляемые колёса начинали быстро колебаться вокруг шкворней, делая до 6 – 8 колебаний в секунду; при этом колёса оставляли на земле след, схематически показанный на рис. 2.42, а. Наряду с вилянием часто наблюдалось подпрыгивание колёс передней оси: одно колесо перемещалось вверх, противоположное сильнее прижималось к дороге. Амплитуда подпрыгивания достигала в некоторых случаях такой величины, что колёса отрывались от поверхности дороги. При сочетании колебания колёс с подпрыгиванием оси на дороге оставался след, подобный схематически показанному на рис. 2.42, б [14].

Колебания передних колёс приводили к тому, что автомобиль становился неуправляемым (водитель не мог контролировать колебание колёс) и неустойчивым (автомобиль скользил вбок), увеличивался износ шин и рулевой передачи и возрастали напряжения в деталях рулевого привода. Чтобы прекратить колебания, водителю приходилось снижать скорость движения.

Колебания управляемых колёс – весьма сложное явление. Хотя практически уже давно были найдены действенные средства борьбы с этими колебаниями, теория колебаний передних колёс автомобиля была создана лишь в последнее время.

Сущность данного явления в следующем. Передний мост представляет собой тело, связанное с двумя упругими элементами: шинами и рессорами (рис. 2.41). Передняя ось может совершать различные колебания. В рассматриваемом случае представляют интерес только поперечные угловые колебания (подпрыгивание), характеризуемые углом. Найдём, чему равна собственная частота подпрыгивания оси.

Если ось повернулась на угол, то на неё будет действовать восстанавливающий момент от рессор, который в силу малости угла можно считать равным Кроме того, на ось будет действовать восстанавливающий момент от деформированных шин где 2nр – расстояние между рессорами; 2п – колея колёс.

Частота подпрыгивания будет равна где с – угловая жёсткость подвески передней оси; I1 – момент инерции переднего моста относительно продольной оси, проходящей через его центр тяжести 0.

Угловая жёсткость подвески передней оси по определению равна Подставляя (2.135) в (2.134), получим Из этого выражения следует, что при снижении жёсткости рессор, а особенно шин, или при увеличении момента инерции передней оси собственная частота подпрыгивания снижается.

Передние колёса, связанные поперечной рулевой тягой между собой и продольной тягой с рулевой сошкой, представляют вторую колебательную систему (рис. 2.41). Тяги, особенно продольная, упруги и поэтому при отклонении колёс от нейтрали на них начинает действовать восстанавливающий момент Мв. Величина этого момента зависит не только от упругости тяги, но и от стабилизирующего эффекта, обусловленного наклоном шкворня и эластичностью шин. Мв = с, где – угол, характеризующий отклонение колёс при их вилянии вокруг оси шкворня, а с – угловая жёсткость рулевого привода.

Обозначим I2 момент инерции обоих колёс и связанных с ними деталей относительно осей шкворней. Тогда собственная частота колебания колёс будет равна Отсюда следует, что чем ниже угловая жёсткость рулевого привода или чем больше момент инерции колёс, тем ниже собственная частота виляния.

Обе колебательные системы (рис. 2.41) не независимы благодаря гироскопической связи между подпрыгиванием оси и колебанием колёс.

Прежде чем установить, к чему приводит гироскопическая связь, напомним основные свойства гироскопа.

Гироскоп – быстро вращающийся маховик, заключённый в рамку, с которой связаны цапфы, позволяющие ей вращаться вокруг вертикальной оси (рис. 2.43). Гироскоп с рамкой и цапфами может, кроме того, поворачиваться в плоскости чертежа.

Гироскоп характеризуется кинетическим моментом Iкк, равным произведению момента инерции маховика Iк относительно оси собственного вращения на угловую скорость вращения к.

Гироскоп реагирует на всякое угловое перемещение его оси.

Если, приложив внешний момент М, поворачивать рамку с гироскопом в плоскости чертежа с угловой скоростью d/dt, то гироскоп станет поворачиваться вокруг вертикальной оси с угловой скоростью пр. Это движение носит название прецессии и совершается под действием так называемого гироскопического момента Мг = Iккd/dt. Чем быстрее поворачивается рамка с гироскопом, т.е. чем больше d/dt, Mг, тем больше скорость прецессии пр.

Рис. 2.43. Гироскоп Чтобы определить направление прецессии пр или действия гироскопического момента Mг, существует простое правило.

Изобразим в соответствии с рис. 2.43 векторы внешнего момента М и кинетического момента гироскопа Iкк. Направление прецессии будет таким же, как и направление вращения вектора Iкк, стремящегося совпасть с вектором внешнего момента М, двигаясь к нему по кратчайшему пути (рис. 2.44).

Передние колёса движущегося автомобиля представляют собой гироскопы и реагируют на всякое угловое перемещение их оси.

Поясним подробнее, к чему это приводит. Пусть под действием внешнего момента М, появившегося, например, вследствие наезда одного из колёс на неровность пути, ось повернулась в вертикальной плоскости на угол (рис. 2.44).

Колёса-гироскопы будут при этом прецессировать, поворачиваясь вокруг осей шкворней с угловой скоростью d/dt под действием гироскопического момента Взаимное положение векторов М, 2 Iкк и d/dt (Mг’) показано на рис. 2.45, а.

Под действием гироскопического момента М г колёса отклонятся от нейтрального положения на угол. Поворот оси колёс в горизонтальной плоскости вызовет появление второго гироскопического момента Рис. 2.45. Взаимное расположение векторов под действием Этот момент будет стремиться повернуть ось на угол, заставляя её прецессировать со скоростью d/dt. Взаимное положение векторов М г, 2Iкк и d/dt ( М г) показано на рис. 2.45, б.

Таким образом, подпрыгивание оси вызвало угловое колебание колёс. В свою очередь колебание колёс вызвало подпрыгивание оси.

Обе колебательные системы (рис. 2.41) оказались связанными.

Следует, однако, заметить, что действие момента М г даёт больший эффект, нежели действие момента М г, так как момент инерции колёс I2 меньше момента инерции оси I1.

Вследствие связи между подпрыгиванием и угловым колебанием частоты колебаний передней оси становятся отличными от и.

Найдём новые значения частот, составив уравнения движения оси и колёс при свободных колебаниях.

На ось действуют: момент, обусловленный деформацией рессор и шин М1 + М2, гироскопический момент М г и инерционный момент М j = I1. Суммируя их, получим первое уравнение движения На колёса и рулевой привод действуют восстанавливающий момент Мв, гироскопический момент М г и инерционный момент Их сумма даёт второе уравнение движения Выберем решение уравнений (2.140) и (2.141) в следующем виде:

Дифференцируем (2.141), подставляем и и их производные в уравнения (2.139) и (2.140), сокращая sin t и cos t, получаем Найдём отношение амплитуд А:В из первого и второго уравнений (2.143) приравнивая правые части (2.143), получим уравнение частот Таким образом, передняя ось имеет две собственные частоты:

низкую н и высокую в. Они равны Исследуем полученные выражения. Из уравнения (2.144) следует, что при Н 0:

Далее следует, что подкоренное выражение всегда положительно, поэтому Таким образом, наличие гироскопической связи приводит к появлению двух собственных частот, которые при слабой гироскопической связи (Н) близки к частотам и.

Кинетический момент колёс зависит от их числа оборотов. Поэтому с увеличением скорости автомобиля гироскопическая связь усиливается (Н растёт), а меньшая из двух частот становится ещё меньше, большая – ещё больше.

Итак, мы показали, что передняя ось представляет собой колебательную систему, обладающую двумя собственными частотами: н и в.

Если на такую систему будет действовать возмущающая сила, то система будет совершать колебания, которые могут достичь значительной силы.

Возмущающие периодические силы могут появиться вследствие неуравновешенности колёс и их эксцентричности.

На рисунке 2.46 дана схема так называемого статически неуравновешенного колеса. Масса одного из участков колеса или обода (например, в месте расположения вентиля) больше остальных.

На рисунке 2.46 это условно показано в виде груза массы т, закреплённого на окружности колеса.

При вращении колеса на него будет действовать центробежная сила Эта сила даёт две составляющие: 1) вертикальную Рсу mк r sin к t и 2) горизонтальную Рсx mк r cos к t. Вертикальная составляющая будет стремиться вызвать подпрыгивание оси, горизонтальная будет вызывать виляние колёс.

Особенно неблагоприятным будет такой случай, когда неуравновешенными являются оба колеса, причём неуравновешенные части колёс расположены, как показано на рис. 2.47.

Частота возмущающей силы к возрастает пропорцио- Рис. 2.46. Схема статически нально скорости автомобиля. неуравновешенного колеса Рис. 2.47. Расположение неуравновешенных частей колёс Возможны два случая резонанса: к = н, что соответствует скорости автомобиля Vр1 = н rк, и к = в, что соответствует скорости автомобиля Vр2 = в rк.

Очевидно, что оба случая резонанса могут иметь практическое значение только в том случае, если В ранних конструкциях автомобилей, обладавших невысокой скоростью, условие (2.148) не выполнялось и угловые колебания передних колёс не наблюдались.

По мере совершенствования автомобиля его наибольшая скорость возрастала. В то же время вследствие перехода на шины низкого давления и мягкие рессоры и установки тормозных барабанов на передние колёса собственные частоты и, а следовательно, и н, в снижались. Это привело к тому, что условие (2.148) стало выполняться, и интенсивные колебания передних колёс, соответствующие случаям резонанса, стали наблюдаться при эксплуатационных скоростях движения.

Амплитуда возмущающей силы согласно выражению (2.147) пропорциональна второй степени скорости автомобиля и достигает больших значений только на высоких скоростях.

Если меньшая из собственных частот невелика, то совпадение частот к = н, т.е. случай резонанса может соответствовать сравнительно небольшой скорости автомобиля. Амплитуда возмущающей силы будет невелика, и интенсивных колебаний наблюдаться не будет.

В том случае, когда резонанс и интенсивные колебания будут соответствовать собственной частоте, близкой к, то будет происходить главным образом виляние колёс, и след их на дороге будет таким, как на рис. 2.42, а.

Если же наступит резонанс с собственной частотой, близкой к, то появится интенсивное подпрыгивание колёс, и след их на дороге будет таким, как на рис. 2.42, б.

Вынужденные колебания и явления резонансов могут вызываться также эксцентричностью колёс, так как в этом случае ось будет периодически подпрыгивать. Однако амплитуда возмущающей силы с изменением скорости автомобиля меняться не будет.

Кроме описанных резонансных явлений, колебания управляемых колёс возможны при движении автомобиля с высокими скоростями (обычно свыше 70 км/ч). Происходит это потому, что вследствие особых свойств колебательной системы часть мощности двигателя расходуется на поддержание незатухающих колебаний колёс и оси.

В силу этих свойств передняя ось с колёсами может быть отнесена к числу самоколебательных или автоколебательных систем.

Существует ряд мероприятий, позволяющих устранить или ослабить вредные колебания управляемых колёс.

Эти мероприятия заключаются в том, что колёса подвергают балансировке и более точно проверяют отсутствие эксцентричности колёс. Известны попытки менять жёсткости с и с с тем, чтобы получить более благоприятные величины частот и и соотношение между ними. Это позволяет в некоторых случаях вывести скорости, соответствующие случаям резонанса, за пределы эксплуатационных скоростей автомобиля или ослабить колебания колёс.

Известны также попытки устанавливать специальные амортизаторы в рулевой трапеции для того, чтобы тормозить, гасить колебания колёс.

Однако основным средством, позволившим устранить колебания управляемых колёс как опасное явление, было применение независимой подвески передних колёс. В большинстве конструктивных схем такой подвески ось вращения колёс остаётся всегда параллельной или почти параллельной сама себе.

При независимой подвеске отсутствует непосредственная связь одного колеса с другим колесом соответствующей оси. Классифицируют независимые подвески по характеру перемещения колёс при подъёме. Различают независимые подвески с перемещением колеса в поперечной (рис. 2.48, а, б), продольной (рис. 2.48, в, г) или одновременно в продольной и поперечной плоскостях (рис. 2.48, д). В зависимых подвесках каждого из этих типов колесо может быть связано с корпусом одним или двумя рычагами. Кроме того, подвеска может быть свечной, когда колесо перемещается вдоль направляющей (рис. 2.48, е). В независимой подвеске могут быть использованы упругие элементы различных типов: листовые рессоры, витые пружины, торсионы и др. [15].

Рис. 2.48. Основные типы независимых подвесок Общие преимущества независимой подвески сводятся к следующему:

– уменьшается масса неподрессорных частей (неподрессорные колёса), вследствие чего уменьшаются удары от неровностей дороги, передаваемые на корпус машины; это, в свою очередь, позволяет повысить скорость движения по неровным дорогам;

– увеличивается возможный ход колёс, что позволяет подвеску выпол- независимой подвески нить более мягкой и, следовательно, повысить скорость движения; одновременно при больших независимых перемещениях колёс улучшается проходимость автомобиля вследствие постоянного контакта колеса с дорогой;

– вследствие независимости перемещения уменьшается возможность возникновения вредных автоколебаний управляемых колёс, что улучшает управляемость и устойчивость автомобиля.

На рисунке 2.49 дана схема одной из независимых подвесок. Каждое колесо связано с рамой двумя равными по длине рычагами. Рычаги заканчиваются шарнирами. Если соединить между собой центры шарниров, получится параллелограмм. При таком устройстве вертикальное перемещение колеса не будет сопровождаться наклоном его плоскости. Поэтому гироскопический момент не возникает и подпрыгивание колеса не будет вызывать его виляния.

В настоящее время применяются независимые подвески передних колёс, имеющие рычаги неодинаковой длины. Это обстоятельство приводит к тому, что при вертикальном перемещении переднего колеса угол наклона его плоскости относительно плоскости дороги несколько изменяется. Однако пределы изменения этого угла весьма ограничены, ввиду чего гироскопический момент практически не будет оказывать влияния на движение колеса.

2.10. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К КОЛЁСАМ И ШИНАМ Колёса автомобиля, непосредственно шины, взаимодействуют с опорной поверхностью дороги. Шина, находясь в постоянном взаимодействии с полотном дороги, является основным элементом колеса.

Поэтому от свойств шины зависят величина и характер сил, действующих как на дорогу, так и на автомобиль.

Шина оказывает существенное влияние на основные качества автомобиля: тяговые качества, топливную экономичность, проходимость, устойчивость, управляемость, плавность и бесшумность хода, безопасность при движении и торможении.

Шину устанавливают на обод колеса: поэтому размеры и конструкция шин и обода взаимосвязаны и должны рассматриваться совместно.

Колёса автомобилей состоят из трёх частей: обода, соединительной части и ступицы. По устройству соединительной части они разделяются на дисковые и спицевые, по конструкции обода – на колёса с цельным и разборным ободом.

Колёса с цельным ободом применяют на легковых автомобилях;

колёса с разборным ободом, облегчающим монтаж и демонтаж шин, на грузовых автомобилях и автобусах.

В случае применения бескамерных шин на грузовых автомобилях и автобусах также иногда применяют колёса с цельным ободом.

К конструкции обода предъявляются следующие требования: надёжное крепление шины, обеспечение лёгкости монтажа и демонтажа шин, жёсткость, сбалансированность и минимальная масса конструкции.

На автомобилях применяются пневматические шины, у которых упругие качества создаются за счёт упругости воздуха, сжатого в её внутренней плоскости. Часть нагрузки (8…10%) передаётся за счёт жёсткости стенок шины.

Шины классифицируются по ряду признаков:

– по способу герметизации внутренней полости шины, разделяют на камерные и бескамерные;

– по форме профиля шины могут быть: тороидные (обычные), у которых форма профиля близка к окружности; широкопрофильные, имеющие профиль овальной формы; арочные, имеющие профиль в виде арки;

– по способности работать с переменным давлением воздуха различают: шины с нерегулируемым и регулируемым давлением.

Основные характеристики типа шины – геометрические параметры (рис. 2.50) шины (обозначение размера шины – маркировка), категория скорости, индекс несущей способности [1].

Конструктивные элементы и параметры шины:

• борт – элемент шины, форма и конструкция которого позволяют ему прилегать к ободу и удерживать на нём шину;

• корд – нити, образующие ткань слоёв в шине;

• слой – зона, образованная прорезиненным кордом, слои которого расположены параллельно друг другу;

• каркас – часть шины, иная, чем протектор и резина боковины, которая при накаченной шине воспринимает нагрузку;

Рис. 2.50. Геометрические параметры шины:

1 – каркас; 2 – канавки протектора; 3 – корд; 4 – слой; 5 – борт;

А – ширина обода; D – наружный диаметр; Н – высота профиля;

S – ширина профиля; d – номинальный диаметр обода • протектор – часть шины, соприкасающаяся с грунтом; эта часть защищает каркас от механических повреждений и способствует обеспечению сцепления колеса с грунтом;

• боковина – часть шины, расположенная между протектором и зоной, покрываемой закраиной обода;

• нижняя часть боковины – зона, расположенная между максимальным сечением шины и зоной, покрываемой закраиной обода;

• канавки протектора – пространство между двумя соседними выступами и/или шашками рисунка протектора;

• ширина профиля (S) – линейное расстояние между наружными боковинами накаченной шины, не включая выступов, образуемых надписями (маркировкой), декоративными или защитными швами и защитным рефлением;

• габаритная ширина – линейное расстояние между наружными боковинами накаченной шины, включая надписи (маркировку), декоративные или защитные швы и защитные рефления;

• наружный диаметр (D) – габаритный диаметр новой накачанной шины;

• высота профиля (Н) – расстояние, равное половине разницы между наружным диаметром шины и номинальным диаметром обода;

• обод – основание для покрышки с камерой или для бескамерной шины, на которое опираются борта шины;

• номинальный диаметр обода (d) – диаметр обода, на котором монтируется шина;

• ширина обода (А) – ширина измерительного обода, указанная заводом-изготовителем в техническом описании.

По категории использования шины различаются следующим образом:

• нормальная шина – шина, предназначенная для нормального повседневного использования на дороге;

• шина специального назначения – шина, предназначенная для смешанного использования как на дороге, так и вне дорог либо для использования в иных специальных целях;

• зимняя шина – шина, у которой рисунок протектора, состав или конструкция протектора рассчитаны главным образом для обеспечения более высокой проходимости по снегу, чем в случае использования нормальной шины, с точки зрения её способности приводить в движение транспортное средство.

Под конструкцией шины подразумеваются технические характеристики каркаса шины. Различаются, в частности, следующие типы конструкции шин:

• шина диагональной конструкции – шина, нити корда которой достигают бортов и располагаются под углами, близкими к 90 по отношению к осевой оси протектора;

• шина радиальной конструкции – шина, нити корда которой достигают бортов и располагаются под углами, близкими к 90 по отношению к осевой линии протектора, и каркас которой укрепляется по окружности при помощи практически нерастяжимого пояса.

Кроме того, для шин легковых автомобилей и их прицепов, применяются ещё следующие конструкции шин:

• шина диагонально-опоясанной конструкции – шина диагонального типа, в которой каркас стягивается поясом, состоящим из двух или более слоёв практически нерастяжимого корда, образующего чередующиеся углы, близкие к углам каркаса;

• усиленная или повышенной несущей способности – конструкция шины, каркас которой является более прочным, чем каркас соответствующей стандартной шины;

• запасная шина временного пользования – шина, отличающаяся от обычной шины, и предназначенная для временного использования в ограниченных условиях движения;

• запасная шина временного пользования типа Т – шина временного пользования, предназначенная для эксплуатации при более высоком внутреннем давлении, чем в стандартных или усиленных шинах.

Категория скорости – это указанная при помощи условного обозначения скорость, при которой шина может выдерживать нагрузку, определяемую соответствующим индексом несущей способности (табл. 2.5).

2.5. Обозначения категории скорости для транспортных средств всех категорий Индекс несущей способности – одно или два числа, указывающих нагрузку, которую может выдержать одиночная или одиночная и сдвоенная шина при скоростях, соответствующих данной категории скорости, и при эксплуатации в соответствии с предписаниями заводаизготовителя, регламентирующими использование шины; данный тип шины может иметь одну или несколько групп индексов несущей способности.

Ширину профиля шины (рис. 2.50) рассчитывают по следующей формуле:

где S – ширина профиля, измеренная на имерительном ободе, т.е. линейное расстояние между наружными боковинами накаченной шины, не включая выступов, образуемых надписями (маркировкой), декоративными или защитными швами или защитным рефлением, мм; S1 – номинальная ширина профиля, указанная на боковине шины в её обозначении в соответствии с предписаниями, мм; А – ширина измерительного обода, указанная заводом-изготовителем в техническом описании, мм; А1 – ширина теоретического обода, мм.

Для А1 принимается значение S1, умноженное на коэффициент х, установленный заводом-изготовителем, а для K – значение 0,4 (для шин, определяемых по «шине, соответствующей конфигурации обода», параметры А и K принимаются равными 0,6).

Наружный диаметр шины рассчитывается по следующей формуле:

где D – наружный диаметр, т.е. габаритный диаметр новой накаченной пневматической шины, мм; d – условное число, характеризующее номинальный диаметр обода и соответствующее его диаметру, выраженное либо в условных единицах (число меньше 100), могут также быть проставлены оба эти числа; Н – номинальная высота профиля, мм.

2.10.2. Требования к прочности шины и методы её оценки Применяют с целью определения пригодности шины для использования в предполагаемых условиях эксплуатации, шину подвергают испытаниям на нагрузку/скорость (испытания на прочность).

Новую шину надевают на испытательный обод, указанный заводом-изготовителем. При испытании шины с камерой используют новую камеру в комплекте, состоящем из камеры, клапана и ободной ленты (в случае необходимости). Шину накачивают до давления, соответствующего индексу давления, указанного заводом-изготовителем.

Смонтированную на ободе шину выдерживают при температуре помещения, в котором производят испытание, в течение не менее трёх часов. Давление в шине вновь доводится до величины, соответствующей индексу давления, указанному заводом-изготовителем.

Смонтированную на ободе шину устанавливают на нспытательную ось и приводят в соприкосновение с наружной поверхностью гладкого испытательного ведущего барабана диаметром (1,70±0,017) или (2,0±0,02) м, поверхность которого имеет по меньшей мере такую же ширину, как и протектор шины.

К испытательной оси прилагается нагрузка в процентах от нагрузки, соответствующей индексу несущей способности:

– 80% от показателя максимальной нагрузки, соответствующего индексу несущей способности шин, относящихся к категориям скорости L...Y (для шин легковых автомобилей и их прицепов);

– 90% при испытаниях на испытательном барабане диаметром (1,70±0,017) м или 92% при испытаниях на испытательном барабане диаметром (2,0±0,02) м от показателя максимальной нагрузки, соответствующего индексу несущей способности шин, относящихся к категориям скорости P, Q и выше (для шин всех других транспортных средств).

На протяжении всего периода испытания давление в шине не должно регулироваться, а испытательная нагрузка должна оставаться постоянной на протяжении каждого из трёх этапов испытания.

Во время проведения испытания температура в помещении должна поддерживаться в диапазоне 20...30 °С.

Испытание на прочность выполняют без перерывов в соответствии со следующими указаниями:

– первоначальная скорость при испытании – скорость, соответствующая обозначению категории скорости минус 40 км/ч при использовании испытательного барабана диаметром (1,70±0,017) м или минус 30 км/ч при использовании испытательного барабана диаметром (2,0±0,02) м (для шин легковых автомобилей и их прицепов);

минус 20 км/ч (для всех других шин);

– время для достижения первоначальной скорости – 10 мин;

– продолжительность первого этапа – 10 мин;

– вторая скорость при испытании – скорость, соответствующая обозначению категории скорости минус 10 км/ч;

– продолжительность второго этапа – 10 мин;

– конечная скорость при испытании – скорость, соответствующая обозначению категории скорости;

продолжительность конечного этапа – 30 мин.

Общая продолжительность испытания – не более 1 ч.

Для шин категории скорости Y продолжительность испытания равняется 20 мин на первом этапе и 10 мин – на последнем этапе.

Шину считают выдержавшей испытание на прочность, если после испытания на ней не наблюдается отделения протектора (отделения протектора от каркаса), отделения слоёв (отслоения друг от друга соседних слоёв), отделения корда (отделения корда от его резинового покрытия), отрывов или разрывов корда (отделения кусков резины от протектора).

Наружный диаметр шины, измеренный через 6 ч после испытания на прочность в зависимости от нагрузки/скорости, не должен отличаться более чем на ±3,5% от наружного диаметра, измеренного до испытания.

На шинах легковых автомобилей и их прицепов должно быть, по крайней мере, шесть поперечных рядов индикаторов износа, т.е. выступов внутри канавок протектора, предназначенных для визуального определения степени его износа, расположенных приблизительно на равных расстояниях друг от друга в основных канавках протектора, т.е. широких канавках, расположенных в центральной части протектора, которые охватывают приблизительно три четверти ширины протектора. Эти индикаторы износа должны быть такими, чтобы их нельзя было спутать с резиновыми перемычками между рёбрами или блоками протектора.

Однако для шин таких размеров, которые пригодны для монтирования на ободах с номинальным диаметром не более 12, допускается четыре ряда индикаторов износа протектора.

Индикаторы износа протектора должны служить средством определения с точностью до +0,6/–0,0 мм с момента, когда глубина канавок протектора не превышает 1,6 мм.

Высота индикаторов износа протектора определяется путём измерения разницы со стороны поверхности протектора между глубиной протектора в верхней точке индикатора износа и глубиной протектора вблизи боковины в основании индикатора протектора.

На шинах должна быть нанесена маркировка (в случае симметричных шин на обеих боковинах; в случае асимметричных шин, по крайней мере, на их наружной боковине).

Маркировка шин должна содержать:

– фабричную или торговую марку шины;

– обозначение размера шины;

– указание конструкции (для шин диагональной конструкции маркировка не обязательна либо указывается буква D; для шин радиальной конструкции указывается буква R перед указанием диаметра обода и факультативно слово RADIAL (РАДИАЛЬНАЯ); для шин диагональноопоясанной конструкции ставится буква В перед маркировкой диаметра обода и слова BIAS BELTED; для шин радиальной конструкции, предназначенных для скоростей выше 240 км/ч, буква R может быть заменена на ZR;

– обозначение (или обозначения в соответствующих случаях) категории скорости;

– надпись М + S или М.S, или М&S в случае зимней шины;

– индекс несущей способности;

– слово TUBELESS (БЕСКАМЕРНАЯ) – для бескамерной шины;

– слово REINFORCED или EXTRA LOAD для усиленной шины;

– дату изготовления, состоящую из четырёх цифр, из которых первые две указывают неделю, а две последние – год изготовления;

– условный знак «» диаметром не менее 20 мм или слово REGROOVABLE (ВОССТАНАВЛИВАЕМАЯ) наносится рельефными или выдавленными буквами на каждой из боковин шин, которые могут быть восстановлены;

– давление в шине, которое должно поддерживаться во время испытаний по определению прочности в зависимости от нагрузки и скоростей, при помощи индекса PSI;

шин с номинальным диаметром шин с номинальным диаметром Размер обода 235 мм (код 9) – надпись ЕТ или ML, или МРТ для шин специального назначения;

– буквы С или LT, или СР после маркировки диаметра обода и после обозначения шины, соответствующей конфигурации обода;

– надпись FRT (свободно крутящиеся шины) для шин, которые предназначены конкретно для эксплуатации на прицепах.

Схема маркировки, которая должна наноситься на шины, приведена на рис. 2.51. Далее дано пояснение к примеру, приведённому на схеме маркировки, определяющей шину:

– имеющую номинальную ширину профиля 255 мм;

– имеющую номинальное отношение высоты профиля к его ширине, равное 70;

– имеющую радиальную конструкцию (R);

– имеющую номинальный диаметр обода 572 мм, соответствующий коду 22,5;

– имеющую несущую способность 3150 кг для одиночной и 2900 кг для сдвоенной шины, соответствующую индексам нагрузки 148 и 145 в соответствии с предписаниями Правил № 54 ЕЭК ООН;

– рассчитанную на исходную скорость 100 км/ч, соответствующую обозначению категории J;

– предназначенную для использования, кроме того, на скорости 120 км/ч (категория скорости L) с несущей способностью 3000 кг для одиночной и 2725 кг для сдвоенной шины, соответствующую индексам нагрузки 146 и 143 в соответствии с предписаниями Правил № 54 ЕЭК ООН;

– пригодную для установки без камеры: TUBELESS (БЕСКАМЕРНАЯ);

– принадлежащую к категории использования «зимняя шина»: M + S;

– изготовленную в течение 25 недели 2003 г.;

– предназначенную для накачивания до давления 620 кПа при испытании на прочность в зависимости от нагрузки/скорости; для неё обозначение PSI = 90.

Для шин, соответствующих конфигурации обода А, маркировка должна наноситься, например, в следующем виде:

где 235 – номинальная ширина профиля, мм; 700 – внешний диаметр, мм; R – указание конструкции шины (радиальная); 450 – номинальный диаметр обода, мм; А – конфигурация посадки шины на обод.

Маркировка (индекс несущей способности, условное обозначение категории скорости, дата изготовления и пр.) приводятся в соответствии с общепринятым обозначением.

Размещение и порядок элементов маркировки, представляющей собой обозначение шины, должно быть следующими:

– обозначение размера, включающее в себя номинальную ширину профиля, номинальное отношение высоты профиля к его ширине, обозначение типа конструкции и номинальный диаметр обода должны группироваться, как указано в приведённом ранее примере: 255/70 R22,5;

– индекс (индексы) нагрузки и условное обозначение категории скорости должны располагаться непосредственно после обозначения размера шины;

– обозначения TUBELESS (БЕСКАМЕРНАЯ), REINFORCED (УСИЛЕННАЯ), М + S (зимняя), FRT (свободно крутящаяся шина) и другие могут проставляться отдельно от обозначения размера;

– дополнительные индексы несущей способности и обозначения дополнительной категории скорости должны указываться внутри круга рядом с индексами номинальной несущей способности и обозначением категории скорости, нанесёнными на боковине шины.

2.10.4. Нормативы, регламентирующие требования Предписаниями Правил ЕЭК ООН регламентируются требования:

– Правила № 30 ЕЭК ООН регламентируют технические требования к новым пневматическим шинам для легковых автомобилей индивидуального пользования и их прицепов; они не распространяются на шины, предназначенные для оборудования автомобилей старых моделей, автомобилей для спортивных соревнований, движения со скоростями свыше 300 км/ч;

– Правила № 54 ЕЭК ООН регламентируют технические требования к новым шинам, предназначенные преимущественно, но не исключительно, для транспортных средств категорий М2, М3, N1, N2, N3, О3, О4; они не применяются к типам шин для транспортных средств, у которых конструктивная скорость менее 80 км/ч;

– Правила № 108 ЕЭК ООН регламентируют технические требования к производству шин с восстановленным протектором, предназначенных для установки на легковых автомобилях и их прицепах, эксплуатируемых на дорогах;

– Правила № 109 ЕЭК ООН регламентируют технические требования к производству шин с восстановленным протектором, предназначенных преимущественно, но не исключительно, для транспортных средств категорий М2, М3, N1, N2, N3, О3, О4.

Время от времени главные производители шин пытаются представить новые, не радикально отличающиеся стандарты колёс, которые обладают лучшей управляемостью и устойчивостью, более комфортабельной ездой и особенно безопасностью при проколах шин.

Как уже кратко упоминалось, все основные (не аэродинамические) силы, действующие на автомобиль, действуют в пятнах контакта его шин, которые изменяют свою форму, когда изменяются силы.

Симметрично при ускорении и торможении и несимметрично при повороте. Эта несимметричная деформация приводит к возникновению стабилизирующего момента, создаваемого пятном контакта, который стремится восстановить свою симметрию. Этот процесс водитель чувствует как стремление к самоцентрированию рулевого управления.

Главная задача рисунка протектора шины, по крайней мере, при обычном движении по дороге, удалять воду из пятна контакта, чтобы получить достаточное сцепление на мокрой поверхности. Если вы сможете гарантировать, что никогда не встретите мокрую дорогу, «лысая» шина будет гораздо тише и прослужит дольше.

Сопротивление качению создаётся поглощением энергии, затем переходящей в тепло, из-за сжатия и растяжения блоков рисунка протектора, когда они проходят через пятно контакта. Вибрации, создающиеся в пятне контакта, проходят по протектору вокруг шины и производят шум. Посмотрев на эти многочисленные явления, которые происходят в постоянно изменяющемся участке резины размером в несколько квадратных дюймов, приходим к выводу, что многочисленные эксперты рассматривают математическую физику поведения шины в пятне контакта как наиболее сложную среди остальных областей техники.

Металлокордные радиальные шины долгое время были промышленным стандартом для всех транспортных средств небольшой грузоподъёмности. Недавние технические разработки сконцентрированы на уменьшении сопротивления качению шин с целью повышения топливной экономичности, увеличения сцепления, особенно на мокрой дороге и на уменьшении шума. Шум, создаваемый шинами, – одна из главных составляющих шумового эффекта, создаваемого автомобилем, уровень которого в настоящее время строго регламентируется для новых автомобилей, и сейчас наблюдаются определённые улучшения в этом направлении.

В отношении формы шины наблюдаются тенденции, направленные на уменьшение отношения высоты профиля шины к его ширине (выражается в %). Уменьшение этого отношения снижением высоты боковых стенок шины даёт возможность сделать колесо большего размера без увеличения общего диаметра шины. Это, например, может обеспечить дополнительное пространство для размещения большого, а значит, и более эффективного дискового тормоза. Это также обеспечивает более быструю реакцию шины на командные сигналы рулевого управления. Уменьшение деформации боковых стенок шины снижает количество выделяемого при этом тепла и обеспечивает безопасную работу при более высоких скоростях. С другой стороны, естественно страдает качество движения, а форма пятна контакта становится короче и шире. При этом обычно уменьшается стабилизирующий момент и ухудшается «чувство руля», если при этом не изменяется геометрия рулевого управления для компенсации этого эффекта. Эти недостатки сдерживают широкое применение сверхнизкопрофильных шин для автомобилей массового производства, которые обычно используют шины с отношением высоты к ширине профиля 60, 65, и 70%. Специальные высокоэффективные шины легковых автомобилей имеют очень низкие отношения – до 30%.

В 1990-е годы проявилась тенденция к широким шинам, особенно на спортивных и дорогих автомобилях. В большинстве случаев эта тенденция отражала скорее моду, чем техническую необходимость, и сегодня на многих автомобилях стоят более широкие шины, чем оптимум, который выбрал бы инженер по шасси. Существует распространённое мнение, что чем шире шина, «тем больше резины на дороге», и таким образом улучшается сцепление с дорогой. В действительности количество резины на дороге – суммарной площади всех пятен контактов – зависит только от веса автомобиля и внутреннего давления в шинах. Автомобиль, весящий 2000 фунтов, с давлением в шинах 25 psi будет стоять на пятнах контакта 80 квадратных дюймов. Если установлены более широкие шины, а давление в них то же самое, форма пятна контакта изменяется, становится короче и шире. Это не то, чего хотели бы инженеры по шасси для хорошего «чувства руля» и хорошей управляемости в условиях ограниченного сцепления. Единственный способ увеличить площадь контакта с дорогой – снизить давление в шинах, вот почему на практике в большинстве конкретных транспортных средств рекомендуемые давления для широких шин направлены на снижение. Следствием станет увеличение сопротивления качению и увеличение шума, не говоря уже о том горьком факте, что автомобилем станет менее приятно управлять.

Несмотря на почти универсальные ограничения скоростных режимов, индексы максимальной безопасной скорости шин постепенно возрастают. Индексы скорости шин имеют буквенное обозначение.

Производители автомобилей всегда комплектуют свои автомобили шинами, чей индекс скорости выше, чем максимально возможная скорость автомобиля. Большинство шин для автомобилей среднего размера сейчас имеют индекс «Т» с максимальной скоростью 190 км/ч.

Высший индекс скорости – Z – свидетельствует о том, что шина сконструирована для скоростей выше 240 км/ч, без установленного максимума. На европейском рынке после 1990 г. количество шин с очень высокими индексами скорости растёт (хотя и остаётся небольшим).

Ведущие шинные компании усиленно работают над снижением сопротивления качению шин для улучшения топливной экономичности. Даже при скорости 100 км/ч сопротивление качению составляет 20% всех сил сопротивления, действующих на автомобиль при его движении. Соотношение ещё больше на низких скоростях, когда резко снижается аэродинамическое сопротивление. Все шинные компании двигаются по сходным направлениям, разрабатывая новые материалы для протектора, которые поглощают меньше энергии при растяжении и сжатии, но тем не менее обеспечивают хорошее сцепление с поверхностью дороги. Эти исследования включают в себя такие аспекты, как молекулярная структура эластомеров, и проводятся с использованием суперкомпьютеров. Компаунды частично содержат силикон (заменяющий более привычную сажу), что улучшает характеристики шин, давая снижение сопротивления качению, и в то же время обеспечивают даже лучшее сцепление с дорожной поверхностью, особенно на мокрых поверхностях. Например, компания Michelin утверждает, что её серия «зелёных» шин, в зависимости от обстоятельств, снижает сопротивление качению на 35%, без потери сцепных свойств, при небольшом снижении давления в шине. Экономия в расходе топлива достигает 3...5%.

Растёт рынок специализированных шин, особенно для внедорожных автомобилей. Опытные водители внедорожников знают, насколько важен выбор шин, а также, что для различных дорожных поверхностей, таких, как мягкий песок, глубокая грязь и мокрая трава, требуются различные рисунки протектора. Многие из агрессивных, разреженных рисунков протектора, применяемых на SUV, являются лучшим компромиссом для этих достойных условий.

Они также обладают большим сопротивлением качению и уровнем шума, когда используются на усовершенствованных покрытиях.

Другой специальной областью является «зимняя» шина. Хотя они часто имеют «внедорожный» рисунок протектора, для того чтобы врезаться в свежий снег и удалять его, их основная особенность заключается в другом составе резины протектора, который должен иметь хорошее сцепление с дорогой при отрицательных температурах. Улучшения, внесённые в конструкцию таких шин за последние годы, сделали менее популярными шипованные шины, даже в тех странах, где они разрешены к использованию (во многих странах и областях их не разрешается использовать из-за повреждения дорожных покрытий).

Недостатком зимних шин является повышенный их износ, когда они эксплуатируются при температурах, значительно превышающих температуру замерзания. Автомобилисты в скандинавских и альпийских странах часто хранят два комплекта шин: один для зимы, а другой для лета, и дважды в год их меняют.

Обычно все автомобили имеют запасную шину и инструменты для замены колеса в случае прокола. Страх водителей перед возможностью прокола шины остаётся, несмотря на то, что по статистике на автомобиле в хорошем состоянии и не перегружаемом проколы сейчас случаются не чаще, чем после пробега 90 000 км и выше. Однако направление на применение более широких и больших колёс и шин создаёт проблемы в размещении запасного колеса, особенно в спортивных автомобилях. Это привело к созданию запасных колёс «докаток», которые имеют стандартный радиус, но делаются более узкими и способны выдерживать стандартную нагрузку (выдерживать различные скорости и боковые силы) за счёт поддержания более высокого внутреннего давления. Попытки широкого использования этой идеи значительно варьируются от страны к стране. Британские потребители, в частности, не принимают эту концепцию, и некоторые автомобили на британском рынке оборудуются полноразмерными запасными колёсами, которые выпирают из углублений, которые изначально были предназначены для «докаток». С течением времени ответ на эту проблему может найтись в применении безопасных шин.

Безопасные шины. «Непрокалываемые» шины были одной из главных целей автомобильной промышленности в течение большей части столетия. Технические разработки включали в себя самогерметизирующиеся шины, шины, способные двигаться, даже когда прокалываются, и системы, предупреждающие водителя, когда падает давление в шине ниже определённой величины (любая шина, способная работать после прокола, должна иметь такую систему предупреждения). Интерес к этим концепциям остаётся устойчивым, и недавние исследования и разработки сконцентрировались на создании шин «run flat», остающихся работоспособными в спущенном состоянии. Такие шины должны с целью безопасности удерживаться на ободе колеса и обеспечивать достаточное (хотя и уменьшенное) сцепление с дорогой и возможность управления автомобилем, чтобы осталась возможность проехать определённое расстояние с ограниченной скоростью, для того чтобы дать возможность водителю доехать до ремонтной мастерской. Команды, разрабатывающие такие шины, предпочитают называть их шинами «расширенной мобильности», а не шинами «run flat».

Концепция шин «run flat» могла бы остаться продукцией высокой стоимости, предназначенной для нескольких специализированных рынков, таких, как автомобили служб безопасности, если бы в США не появился потенциально массовый рынок. Люди из некоторых областей страны стали проявлять озабоченность, что остановка в дороге для замены колеса может сделать их заманчивой целью для преступников.

Компания Michelin быстро изготовила модифицированную версию стандартной шины MXV4 ZP (zero pressure – нулевое давление) с тяжёлыми усиленными боковинами, которые могут выдерживать вес одного угла автомобиля при пробеге 80 км со скоростью 90 км/ч – наиболее распространённое ограничение скорости в США. Потеря давления в шине не приводит к потере возможности управления автомобилем. Компания Goodyear сразу же выпустила шину ЕМТ, использующую те же принципы, но предлагающую бльший пробег в спущенном состоянии и лучшее поведение автомобиля, благодаря тому, что эти требования были заложены изначально при её проектировании.

В действительности, обе шины, ZP и ЕМТ, в случае прокола становятся вдвое более узкими, твёрдыми резиновыми колёсами. В обычных условиях они не могут быть демонтированы с обода, а их характеристики в спущенном состоянии определяются детальной конструкцией их боковин. К сожалению, они имеют несколько увеличенный вес за счёт увеличения толщины и веса боковин.

В 1997 году компания Michelin объявила о создании принципиально новой шины PAX, первоначально называвшейся PAV (Pneu Accrochee Verticale – вертикально оседающая шина). Шина PAX имеет внутри усиленное кольцо, на которое опирается спущенная шина, и её пробег в таком состоянии составляет до 160 км (хотя остаётся ограничение скорости до 88 км/ч). Шина PAX имеет и дополнительные преимущества при работе в нормальном, не спущенном состоянии, такие, как сопротивление прокалыванию, лучшее сцепление с мокрой дорогой, лучшая управляемость и плавность хода. Большим недостатком шины PAX является то, что она устанавливается на колёсный обод совершенно новой конструкции и не может быть взаимозаменяемой с обычными шинами. В результате она встретилась со сложной задачей:

как и многие разработки в конструкции шасси. Через четыре года после своего появления шина PAX только сейчас находит первое применение в серийном производстве автомобилей.

Непрокалываемая шина, в отличие от «run flat»-шины, кажется не больше, чем технический мираж, и понятно одно: разработка шины, которая может удовлетворительно работать в обычных условиях, а кроме этого, быть защищённой от неправильного использования (бордюрного камня, работе в спущенном состоянии и перегруженной и т.д.) производит на большинство специалистов впечатление беспричинного и невозможного вызова.

Одним из часто упоминаемых достоинств шин, позволяющих двигаться в спущенном состоянии, является то, что они дают возможность обойтись без запасного колеса, сэкономив вес и пространство в автомобиле. Однако изучение потребительского спроса показывает, что собственники автомобилей неохотно воспринимают идею отказа от психологической уверенности, которую даёт запасное колесо, даже если есть уверенность, что можно доехать на проколотом колесе. Потребителей, кажется, меньше поражает концепция, которая даёт возможность иметь четыре колеса в автомобиле, вместо существующих пяти.

Michelin и Goodyear подчеркнули, что шины PAX и ЕМТ будут устанавливаться на автомобили только совместно с системой, предупреждающей водителя о падении давления в шине, чтобы избежать ситуации, когда водитель долгое время не подозревает, что из шины вышел воздух. Даже без специальных шин такие системы представляют значительную ценность, потому что многие повреждения шин (особенно опасны разрывы шин) могут привести к большому пробегу шины с давлением, существенно меньшим, чем рекомендуемое. Давление может быть сниженным, даже если шина не выглядит сильно просевшей и без значительного влияния на управление и «чувство руля», во всяком случае, для среднего водителя. Даже при половинном давлении при движении по шоссе с обычной скоростью такая шина быстро перегреется и становится серьёзной опасность взрыва.

Эта опасность сильно увеличивается, если до этого шина пострадала от повреждений боковины от бордюрного камня, а многие шины имеют такие повреждения, даже если снаружи они не заметны. Соответствующая система предупреждения о падении давления значительно снизит этот риск и, возможно, расширит среднюю дистанцию между повреждениями больше, чем до 100 000 км. В последних моделях Renault предлагаются такие системы, начиная с Renault Laguna II, появившиеся в конце 2000 г. В этой системе используется датчик и передатчик, которые были разработаны при сотрудничестве с компанией Michelin.

2.11. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К УПРАВЛЯЕМОСТИ,

УСТОЙЧИВОСТИ, КОЛЁСАМ И ШИНАМ

В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ГОСТ Р 51709–2001 «Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки» устанавливает [2]:

– требования к техническому состоянию автотранспортных средств (АТС);

– предельно допустимые значения параметров технического состояния АТС, влияющих на безопасность дорожного движения и состояние окружающей среды;

– методы проверки технического состояния АТС в эксплуатации.

Применительно к рассматриваемой проблеме влияния устойчивости и управляемости на безопасность движения, далее рассмотрим положения данного стандарта в отношении тех узлов и агрегатов (рулевое управление, шины и колёса), эксплуатационное состояние которых в наибольшей степени отражается на изменении устойчивости и управляемости АТС.

2.11.1. Требования к рулевому управлению Изменение усилия при повороте рулевого колеса должно быть плавным во всём диапазоне угла его поворота. При этом максимальный поворот рулевого колеса должен ограничиваться только устройствами, предусмотренными конструкцией АТС.

Эти требования проверяют на неподвижном АТС при работающем двигателе посредством поочередного поворота рулевого колеса на максимальный угол в каждую сторону.

Самопроизвольный поворот рулевого колеса с усилителем рулевого управления от нейтрального положения при неподвижном состоянии АТС и работающем двигателе не допускается.

Это проверяется наблюдением за положением рулевого колеса на неподвижном АТС с усилителем рулевого управления после установки рулевого колеса в положение, примерно соответствующее прямолинейному движению, и пуска двигателя.

Суммарный люфт в рулевом управлении не должен превышать предельных значений, указанных изготовителем АТС в эксплуатационной документации, или, если такие значения изготовителем не указаны, следующих предельных допустимых значений:

– легковые автомобили и созданные на базе их агрегатов грузовые автомобили и автобусы – 10°;

– автобусы – 20°;

– грузовые автомобили – 25°.

Данное требование проверяют на неподвижном АТС с использованием приборов для определения суммарного люфта в рулевом управлении, фиксирующих угол поворота рулевого колеса, и начале поворота управляемых колёс. Управляемые колёса должны быть предварительно приведены в положение, примерно соответствующее прямолинейному движению, а двигатель АТС, оборудованный усилителем рулевого управления, должен работать. Рулевое колесо поворачивают до положения, соответствующего началу поворота управляемых колёс АТС в одну сторону, а затем в другую сторону до положения, соответствующего началу поворота управляемых колёс в противоположную сторону. При этом измеряют угол между указанными крайними положениями рулевого колеса, который является суммарным люфтом в рулевом управлении.

Подвижность рулевой колонки в плоскостях, проходящих через её ось, рулевого колеса в осевом направлении, картера рулевого механизма, деталей рулевого привода относительно друг друга или опорной поверхности не допускается. Резьбовые соединения должны быть затянуты и зафиксированы. Люфт в соединениях рычагов поворотных цапф и шарнирах рулевых тяг не допускается. Устройство фиксации положения рулевой колонки с регулируемым положением рулевого колеса должно быть работоспособно.

Проверяется это органолептически на неподвижном АТС при неработающем двигателе путём приложения нагрузок к узлам рулевого управления и простукивания резьбовых соединений. Осевое перемещение, качание рулевого колеса и рулевой колонки производят путём приложения к рулевому колесу знакопеременных сил в направлении оси рулевого вала и в плоскости рулевого колеса перпендикулярно к колонке, а также знакопеременных моментов сил в двух взаимоперпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рулевой колонки.

Взаимные перемещения деталей рулевого привода, крепление картера рулевого механизма и рычагов поворотных цапф проверяют посредством поворота рулевого колеса относительно нейтрального положения на 40 – 60 в каждую сторону и приложением непосредственно к деталям рулевого привода знакопеременной силы.

Для визуальной оценки состояния шарнирных соединений используют стенды для проверки рулевого привода. Работоспособность устройства фиксации положения рулевой колонки проверяют посредством привлечения его в действие и последующего качания рулевой колонки при её зафиксированном положении путём приложения знакопеременных усилий к рулевому колесу в плоскости рулевого колеса перпендикулярно к колонке во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось рулевой колонки.

Натяжение ремня привода насоса усилителя рулевого управления и уровень рабочей жидкости в его резервуаре должны соответствовать требованиям, установленным изготовителем АТС в эксплуатационной документации. Подтекание рабочей жидкости в гидросистеме усилителя не допускается.

Проверяется измерением натяжения ремня привода насоса усилителя рулевого управления на неподвижном АТС с помощью специальных приборов для одновременного контроля усилия и перемещения или с использованием линейки и динамометра с максимальной погрешностью не более 7%.

Техническое состояние шин в процессе эксплуатации интенсивно изменяется. Износ протектора является основным видом разрушения шины. Уменьшение остаточной высоты протектора предоставляет опасность как из-за увеличения вероятности повреждения шины острыми предметами, так и ухудшения сцепных свойств [1].

Неоднородность сцепления колёс автомобиля с полотном дороги из-за неравномерного износа шин могут за счёт перераспределения боковых реакций создать поворачивающий момент, который может вызвать смещение, занос или разворот автомобиля. Коэффициент kув у полностью изношенных шин на 50 – 70% больше, чем у новых. Поэтому транспортное средство с установленными на передний мост изношенными шинами, получая излишнюю поворачиваемость, становится источником повышенной опасности движения.