Глава VI

ПОПЕРЕЧНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТИВ ОПРОКИДЫВАНИЯ

Огромная масса перевозимого многоосными или многоопорными автомобилями или монтируемого на них груза при высоком расположении его центра масс и ограниченных возможностях увеличения опорной поверхности автомобиля определяют проблему обеспечения устойчивости таких автомобилей против опрокидывания. В связи с этим должна быть решена задача более глубокого и всестороннего изучения и раскрытия сущности физических явлений, сопровождающих опрокидывание. Для этого необходимо установить закономерности, вызывающие и сопровождающие эти сложные процессы, с целью разработки практических рекомендаций по конструированию и эксплуатации многоосных автомобилей.

Потеря поперечной устойчивости возможна в трех характерных условиях:

при резонансных поперечных колебаниях автомобиля на неблагоприятных по возмущающим воздействиям неровностях, приводящих к опрокидыванию. Отмечены случаи опрокидывания на гармонических неровностях при скоростях 5. ..10 км/ч;

на косогоре или на сильно деформируемых грунтах, когда неожиданно из-за осыпания или интенсивной деформации грунта под одной стороной автомобиля может образоваться косогор ;

при криволинейном движении с большими скоростями. Рассмотрим эти три режима движения, начав с двух последних, применительно к многоосным автомобилям.

37. СТАТИЧЕСКАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Опрокидывание автомобиля на косогоре, на деформируемых грунтах и при повороте обычно рассматривают статически. Во всех трех случаях задача определения устойчивости сводится к Оценке равновесия сил и моментов, опрокидывающих автомобиль, и сил и моментов, восстанавливающих устойчивое положение. Поэтому эти случаи оценки устойчивости иногда называют устойчивостью равновесия.

В качестве критериев поперечной устойчивости рассматриваются или критическая скорость или предельный допустимый угол крена.

Следует отметить, что приводимые в литературе аналитические зависимости критериев устойчивости получены для упро-

щенной расчетной схемы двухосных автомобилей и при допущениях, которые в расчетах для многоосных автомобилей дают большую погрешность. Например, на многоосных автомобилях из-за большой податливости несущей системы, боковой эластичности шин, сложной кинематической схемы подвески, многоопор-ности трудно аналитически определить положение оси крена подрессоренной и неподрессоренных масс автомобиля; практически невозможно точно учесть положение точки приложения реакций на деформируемых шинах при опрокидывании. Опрокидывание многоосного автомобиля происходит с постепенным поочередным отрывом отдельных колес каждой стороны. Большое влияние на этот процесс оказывают силы трения, а также нелинейность упругих и демпфирующих сил.

Все это значительно усложняет получение точных аналитических зависимостей критериев оценки поперечной устойчивости многоосного автомобиля, поэтому определить их расчетным путем даже с применением ЭВМ трудно. Важным препятствием является также то, что в настоящее время отсутствуют достоверные данные характеристик многоосного автомобиля, определяющих его устойчивость по опрокидыванию. К ним прежде всего относятся характеристики податливости рамы на кручение, характеристики боковой эластичности оси (шины), коэффициенты радиальной и тангенциальной жесткостей шин, коэффициенты сопротивления повороту. Все эти характеристики зависят от многих факторов, на них влияющих. Отсутствие таких данных не позволяет получить достоверные результаты даже при исследовании установившихся режимов и разработать соответствующую методику.

Оценка устойчивости равновесия против опрокидывания упрощается в связи с созданием специального стенда опрокидывания [2], позволяющего получить весь комплекс статических характеристик автомобиля. Разработана методика расчетно-статических испытаний многоосного автомобиля на устойчивость против опрокидывания. Методика базируется на том положении, что боковая сила в центре масс автомобиля, приводящая к потере устойчивости против опрокидывания, не зависит от условий движения. Боковая сила в начале опрокидывания не менялась при опрокидывании в различных условиях. Боковая сила, вызывающая опрокидывание для данного автомобиля, - величина постоянная, при достижении боковой силой этого значения автомобиль теряет устойчивость. Поэтому боковая сила (или пропорциональное ей поперечное ускорение) при повороте может быть принята в качестве оценочного параметра, характеризующего способность автомобиля противостоять опрокидыванию.

Значение боковой силы Т, вызывающей потерю устойчивости, может быть с достаточной для практических целей точностью определено по данным, полученным на стенде опрокидывания.

Рис. 74. Схема сил, действующих на автомобиль в поперечной плоскости: о - при повороте; б - на стенде опрокидывания

На рис. 74 Приведена схема сил, действующих иа автомобиль в поперечной плоскости при криволинейном движении и на стенде. На основании схемы а для первого этапа опрокидывания при повороте, когда крен подрессоренной массы обусловлен деформацией подвески и шин относительно оси крена, проходящей через точку О (положение оси крена зависит от типа подвески), можно записать уравнение равновесия под действием момента крена и восстанавливающего момента:

Ж =ГЯ cos sin р,

где Л1в=Сфр - восстанавливающий момент, равный произведению угловой жесткости подвески и шин на угол крена.

Принимая sinp = p и cosp=l (так как угол крена по экспериментальным данным не превышает 8°), можно получить текущее значение угла крена

р=ГЯ/(С,-ОаЯ).

(73)

Рассматривая равновесие системы относительно оси опрокидывания, проходящей через точку О, и учитывая, что в момент начала опрокидывания Z =0, получим значение боковой силы, при которой автомобиль теряет устойчивость:

(74)

7шах=0а 1(5/2) - Д - я sin Р ах]/(Я COS ?,).

Решая совместно уравнения (73) и (74) с учетом получения характеристик опрокидывания на специальном стенде [2J, найдем

Ршах = Оа [(5/2)-Д]/С,.

Аналогично, рассматривая схему нагружения на стенде опрокидывания (см. рис. 74, б), получим выражения для боковой силы и угла крена в момент потери устойчивости:

Гшах= cos ср I(S/2) - Д - Я Sin А/Ш COS Lax); ?;ах=ОаС05ср[(В/2)-Д]/С,.

Приняв равенство деформаций шин и углов крена на стенде и при движении на повороте, т. е. Д=А и Р = Р, получим 7max/7max= 1/cos ф (где ф - угол поперечной статической устойчивости на стенде).

Учитывая, что на стенде опрокидывания боковая сила потери

устойчивости 7max;=Ga sin ф, ПОЛуЧИМ 7тах= Ga Sin ф И

7raax=0atg(f.

Поперечное ускорение, соответствующее потере устойчивости:

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных ускорений потери устойчивости против опрокидывания показало, что поперечное ускорение в центре масс при повороте имеет переменный колебательный характер. На различных режимах колебания характеризуются какой-то средней величиной. Для потери устойчивости автомобиля под действием поперечной силы совершается определенная работа, поэтому экстремальные значения кратковременных ускорений не определяют устойчивости против опрокидывания. Его определяет среднее значение ускорения, а соответственно и боковой силы.

Сопоставление расчетных и средних экспериментальных ускорений дает приемлемую для инженерных расчетов сходимость. Отклонения, как правило, не превышают 5%. Ниже приведены данные расчетно-статических и динамических испытаний некоторых автомобилей:

Автомобиль................. I II III

Угол статической устойчивости, определенный

на стенде................... 34°26 34°30 36°

Поперечное ускорение в центре масс (в м/с)

по результатам испытаний:

расчетно-статических........... 6,75 6,75 7,13

динамических.............. 6,7 7,0 7,0

Таким образом, угол статической устойчивости, определенный на стенде опрокидывания, может быть принят как пара-

8* 219

метр, характеризующий динамическую устойчивость автомобилей, способность их противостоять опрокидыванию. Боковая сила или поперечное ускорение, рассчитанные по этому углу статической устойчивости, могут служить оценочными параметрами устойчивости. Значения показателей устойчивости некоторых автомобилей против опрокидывания приведены в табл. 15.

Следует отметить, что полученный параметр, хотя и является важнейшей характеристикой автомобиля, не полностью позволяет судить о динамической устойчивости автомобиля в системе водитель-автомобиль -дорога. Кроме способности противостоять силам опрокидывания необходимо учитывать вероятность действия в реальных условиях эксплуатации предельных значений этих сил. Здесь определяющими являются тягово-динамиче-ские показатели автомобиля и (в меньшей мере) характеристики управляемости. Чем выше эти показатели при равных углах статической устойчивости, тем меньше устойчивость автомобиля на дорогах против опрокидывания. Количественная связь этих показателей пока не установлена.

Следовательно, сопоставлять и сравнивать различные автомобили, оценивая их устойчивость против опрокидывания по углу статической устойчивости, полученному на стенде, можно при наличии приблизительно равных тягово-динамических показателей, удельных мощностей, максимальных и средних скоростей и разгонных характеристик этих автомобилей.

Исследования показали, что в условиях нормальной эксплуатации боковые ускорения автомобилей не превышают 0,25... 0,3g, т. е. водитель и пассажир сохраняют обычную свободную посадку и не ощущают опасности опрокидывания и не принимают мер коррекции движения. Испытания показали также, что

15. Характеристики устойчивости автомобилей

Примечание. Автомобили имеют полную нагрузку, занимающую весь объем платформы.

S 10

m 0,2 0,3 0,4 0,1 0.1 0,3

боковое ускорение, доли g

Рис. 75. Гистограмма боковых ускорений автомобиля в различных условиях: а н б - соответственно эксплуатационный в форсированный режимы движения

порог чувствительности человека к боковым ускорениям составляет 0,1; меньшие ускорения неощутимы.

На рис. 75 показана гистограмма боковых ускорений, полученных при испытаниях десяти автомобилей разных типов в различных дорожных условиях.

Сравнение предельных по условиям опрокидывания боковых ускорений, приведенных в табл. 15, с их эксплуатационным диапазоном (0,3) позволяет сделать вывод, что опрокидывание автомобилей происходит в результате ошибок в управлении (превышение скорости, резкий поворот рулевого колеса и т. д.) ив особых аварийных ситуациях.

При равных динамических свойствах одной степенью безопасности (вероятностью опрокидывания, наработкой на одно опрокидывание) обладают автомобили с одинаковыми предельными боковыми ускорениями. При разных динамических качествах для обеспечения одинаковой безопасности в указанном смысле предельные боковые ускорения автомобиля должны быть пропорциональны квадратам средних скоростей движения или в перво.м приближении - квадратам удельных мощностей. Это выполняется не на всех автомобилях, и вероятность нх опрокидывания различна. Однако опрокидывание автомобилей, приведенных в табл. 15, невозможно в условиях нормальной эксплуатации.

Если предельное боковое ускорение менее 0,3, то опрокидывание автомобиля становится возможным и в условиях нормального движения без каких-либо ошибок со стороны водителя. Указанному значению предельного бокового ускорения соответствует угол наклона на стенде 17,5°, вызывающий боковое опрокидывание. Значения предельной по условиям опрокидывания скорости в этом случае составят на повороте радиусом 25 м 32.. .33 км/ч, а на повороте радиусом 50 м 44.. .45 км/ч.

Представляет интерес соотношение предельных углов опрокидывания при нормальной эксплуатации автомобиля и при аварийной ситуации. В обычных условиях эксплуатации нагружение