Развал, продольный и поперечный угол наклона оси поворота

Глава 5. Развал, продольный и поперечный угол наклона оси поворота

Отрицательный развал (Camber)

 

Автомобиль с излишним отрицательным развалом при торможении.

 

Автомобиль с излишним отрицательным развалом при торможении.

 

Почти на всех спортивных автомобилях передние колеса устанавливаются с отрицательным развалом, вопрос только в том, какой величины установить этот развал. Часто скоростные машины выполняются с большим отрицательным развалом, потому что предполагается, что это помогает улучшить управляемость, особенно при прохождении поворотов. Отрицательный развал, обеспечиваемый передней подвеской, улучшает положение одного колеса относительно дороги. Это может быть левое переднее колесо в правом повороте или правое колесо в левом повороте. На это колесо приходится большая динамическая нагрузка, поэтому важно правильно установить развал для обеспечения правильного положение колеса относительно дороги.

Итак, правильная установка высоко нагруженного переднего колеса очень важная задача. В качестве основной идеи установки колеса возьмем экстремальный случай (к несчастью, встречающийся на некоторых автомобилях ранних поколений). Будем рассматривать поведение правого переднего колеса в левом повороте. Геометрия подвески обеспечивает положительный развал передних колес до 5÷7 градусов. При скоростном прохождении поворота шины выглядят так, как будто они хотят сойти с диска и автомобиль явно плохо управляется. Достаточно сказать, что некоторые изменения в геометрии подвески (увеличение продольного наклона оси поворота для обеспечения динамического отрицательного развала, увеличение статического отрицательного развала, установка более жестких пружин подвески для снижения крена кузова, уменьшение высоты подвески, изменение положения рычагов подвески и т.д. и т.п.) приведут к совершенно другому поведению того же автомобиля движущемся с той же скоростью в том же повороте. Автомобиль можно сделать полностью управляемым, особенно в сравнении с первоначальной версией.

Многие спортивные автомобили с большим отрицательным развалом (до 2,5÷3,5 градусов) не всегда имеют хорошие характеристики управляемости и имеют очень быстрый износ внутреннего края шины. Часто такие машины проявляют недостаточную поворачиваемость. Причина лежит в том, что при слишком большом угле развала передних колес пятно контакта шины с дорогой нагруженного колеса уменьшается тем больше, чем сильнее повернуто колесо. Этот эффект более выражен на легких автомобилях с очень широкими шинами.

Рассмотрим поведение автомобиля при тяжелом торможении. Передняя часть автомобиля «ныряет» и в подвеске практически всегда возникает добавочный отрицательный развал. Итак, при торможении Вам нужно иметь максимальное пятно контакта шины с дорогой. Для обеспечения максимальной эффективности торможения колеса должны быть расположены как можно ближе к вертикали, без какого-либо развала и схождения (на практике это реализовать никогда не удается).

Считается, что наиболее приемлемый статический отрицательный развал колеса должен лежать в пределах 0,5÷1,5 градуса. Следует избегать установки отрицательного развала более 1,5 градусов.


Продольный наклон оси поворота (Castor)

 

Продольный наклон оси поворота переднего колеса. «А» и «В» — центры шаровых шарниров поворотного кулака. Точка «В» всегда располагается спереди центра колеса, точка «А» позади центра колеса.

 

Продольный наклон оси поворота переднего колеса. «А» и «В» — центры шаровых шарниров поворотного кулака. Точка «В» всегда располагается спереди центра колеса, точка «А» позади центра колеса.

 

Продольный наклон оси поворота колеса определяется как угол между вертикалью, восстановленной из точки контакта колеса с дорогой, и линией, соединяющей центры шаровых шарниров поворотного кулака (колесной ступицы). Продольный наклон оси поворота приводит к изменению развала колес при повороте колеса влево и вправо от положения прямолинейного движения.

Например, при повороте влево правое переднее колесо приобретает дополнительный отрицательный развал в то время, как левое колесо теряет отрицательный развал (движение в сторону положительного развала). Оба передних колеса должны иметь одинаковый статический наклон оси поворота. Чем больше продольный наклон оси поворота, тем в большей степени будет изменяться развал колес при повороте.

Для улучшения положения колес относительно дороги при прохождении поворотов угол продольного наклона оси поворота может быть изменен. Если автомобиль имеет большой статический отрицательный развал (больше 2÷3 градусов), нельзя изменить продольный наклон оси поворота так, чтобы еще больше увеличить отрицательный развал в повороте (речь, как Вы помните, идет только о правом переднем колесе в левом повороте). Противоположное колесо в любом случае будет терять отрицательный развал, но очень редко получается нулевой и практически никогда положительный развал. В основном внутреннее (по отношению к повороту) колесо изменяет развал не так, как бы хотелось. Большой статический отрицательный развал обычно устанавливают там, где трудно увеличить продольный наклон оси поворота, обеспечивающий достаточный динамический развал при прохождении тяжелых поворотов.

Когда на автомобиле для прохождения поворотов устанавливают слишком большой отрицательный угол развала, внешний край шины редко подвергается заметному износу, в то время как внутренний край изнашивается значительно. Шина изнашивается очень быстро и почти всегда по внутреннему краю обоих колес износ неравномерный.

Регулировки подвески, ведущие к увеличению динамического отрицательного развала, могут привести к недостаточной поворачиваемости в резких поворотах (недостаточная поворачиваемость слабее проявляется в длинных пологих поворотах). Нужно проделать настроечные работы (конечно, на каждом автомобиле по разному) в области регулировки характеристик подвески, которые обеспечат наилучшую управляемость автомобиля.

Считается, что наиболее выгодный диапазон продольного наклона оси поворота составляет 3÷8 градусов. Начальный установочный угол продольного наклона должен быть равен 3÷4 градуса, но должна быть обеспечена возможность его регулировок с шагом в 1 градус до максимальной (8 градусов) величины. Угол продольного наклона увеличивают, если при прохождении тяжелых поворотов возникает положительный развал внешнего (по отношению к повороту) колеса. Для низкоскоростных автомобилей угол продольного наклона должен укладываться в диапазон 2÷7 градусов.


Поперечный наклон оси поворота (KPI)

 

Ось вращения колеса «X-Y» и плоскость крепления колеса «А-В», перпендикулярная оси вращения. Линия «C-D» соединяет центры шаровых опор ступицы. «Е» обозначен угол поперечного наклона оси поворота колеса (KPI).

 

Ось вращения колеса «X-Y» и плоскость крепления колеса «А-В», перпендикулярная оси вращения. Линия «C-D» соединяет центры шаровых опор ступицы. «Е» обозначен угол поперечного наклона оси поворота колеса (KPI).

 

Вылет колёсного диска (ЕТ) — расстояние между плоскостью симметрии колеса (D) и плоскостью его крепления (С).

 

Вылет колёсного диска (ЕТ) — расстояние между плоскостью симметрии колеса (D) и плоскостью его крепления (С).
1 — положительный вылет (плоскость крепления (С) находится между внешней стороной колеса и плоскостью его симметрии (D)),
2 — отрицательный вылет (плоскость крепления (С) расположена между плоскостью симметрии колеса (D) и его внутренней стороной.)

 

Точка «X» пересечения оси поворота колеса с дорогой (нормальный случай).

 

Точка «X» пересечения оси поворота колеса с дорогой (нормальный случай).

 

Точка «X» пересечения оси поворота колеса расположена по краю пятна контакта (допустимый случай).

 

Точка «X» пересечения оси поворота колеса расположена по краю пятна контакта (допустимый случай).

 

Точка «X» пересечения оси поворота колеса расположена далеко от пятна контакта. Автомобиль в некоторых ситуациях становиться нестабильным в управлении. Расстояние «А» не должно превышать 25 мм.

 

Точка «X» пересечения оси поворота колеса расположена далеко от пятна контакта. Автомобиль в некоторых ситуациях становиться нестабильным в управлении. Расстояние «А» не должно превышать 25 мм.

 

Угол поперечного наклона оси поворота слева (А), больше, чем справа (В).

 

Угол поперечного наклона оси поворота слева (А), больше, чем справа (В).

 

Сравнение ступиц с разными углами продольного наклона оси поворота.

 

Сравнение ступиц с разными углами продольного наклона оси поворота.

 

Современные автомобили не имеют реального шкворня, вокруг которого поворачивается управляемое колесо. Однако принцип шкворня в подвеске все равно остается. Поперечный наклон оси поворота (шкворня) представляется линией, соединяющей центры шаровых шарниров. Угол поперечного наклона определяется между этой линией и осью, перпендикулярной оси вращения колеса.

Линия, проходящая через центры шарниров ступицы, пересекается с поверхностью дороги в некоторой точке, более или менее отстоящей от центра пятна контакта. Это расстояние (плечо обкатки) довольно важный показатель.

Обычно точка пересечения лежит внутри пятна контакта и колесные диски имеют большой положительный вылет. При изменении колеи колес с помощью проставок или применения диска специальной конструкции, ситуация меняется в сторону ухудшения положения.

Примечание: вылетом колесного диска называется расстояние между плоскостью симметрии колеса и плоскостью его крепления. Различают положительный и отрицательный вылет. Вылет считается положительным если плоскость крепления находится между внешней стороной колеса и плоскостью его симметрии. При отрицательном вылете плоскость крепления расположена между плоскостью симметрии колеса и его внутренней стороной. Термин «offset» означает наличие отрицательного вылета, a «in-set» означает наличие положительного вылета, у нас же принято называть и положительный и отрицательный вылет термином «оффсет», что вносит путаницу в терминологию. Далее по тексту мы будем указывать какой именно — положительный или отрицательный вылет имеется ввиду.

Оптимальный угол поперечного наклона оси поворота лежит в диапазоне 9÷12 градусов, предпочтительнее устанавливать его равным 10 градусам. Обычно изменить угол поперечного наклона бывает невозможно, хотя его эффективная величина может быть изменена (в определенных пределах) установкой соответствующего отрицательного развала.

В массовом производстве автомобилей колеса устанавливают с погружением внутрь кузова (положительный вылет). При этом руководствуются главным принципом создания плеча обкатки: точка пересечения оси поворота колеса должна быть внутри пятна контакта колеса с дорогой и внутри колесной колеи. При создании спортивных автомобилей иногда устанавливают колеса с большим отрицательным вылетом только на том основании, что «это лучше выглядит», часто не задумываясь о вреде, нанесенном управляемости.

Иметь широкую колею колес хорошо до определенных пределов и уж, конечно, не в ущерб геометрии подвески.

Установим диски с таким отрицательным вылетом (или проставки соответствующей толщины), чтобы колесо отодвинулось от ступицы на 75 мм, увеличив тем самым колею передних колес на 150 мм. В связи с нововведениями рулевое управление будет проявлять тенденцию к множественным обратным ударам, особенно на неровном покрытии. Эта ситуация не очень хороша и может обернуться потерей контроля над автомобилем. Это случается, когда колесо наезжает на выступ дорожного покрытия и получает тенденцию повернуться в направлении возникшего сопротивления (левое колесо хочет повернуться влево, а правое — вправо). Это приводит к возникновению опрокидывающего момента относительного положения колес и их оси поворота.

Чем ближе точка пересечения поперечной оси поворота располагается относительно центра пятна контакта (уменьшение плеча обкатки), тем меньше действие вредного опрокидывающего момента и наоборот.

Рассмотрим другой случай. Пусть колесо с большим отрицательным вылетом наезжает на неровную поверхность (например, левое). Другое колесо (правое) остается на ровной поверхности. Автомобиль при этом получает тенденцию к повороту влево.

Иногда применяется геометрия подвески, сходная с подвеской картинга (с очень большим отрицательным вылетом). Это приводит к тому, что при повороте колеса от положения прямолинейного движения одна сторона шасси приподнимается, а другая — опускается. Так, если автомобиль поворачивает влево, левое переднее колесо стремится приподнять левую сторону кузова, правое колесо стремиться опустить эту сторону автомобиля. Чем больше отрицательным вылет, тем более выражена указанная тенденция (принудительное изменение геометрии кузова).

На многие автомобили устанавливаются колёса с большим отрицательным вылетом, но следует рассматривать только те случаи, в которых это приносит вред. Если требуется увеличить колею автомобиля, то следует изготовить новые рычаги подвески и рулевого управления, чем устанавливать проставки для увеличения отрицательного вылета или колёсные диски с увеличенным отрицательным вылетом. Это конечно трудоёмкий но и самый эффективный путь получить хорошо управляемый автомобиль.

В соответствии с выше изложенным, точка пересечения оси поворота колеса с поверхностью, по крайней мере должна проходить по внутреннему краю шины, однако управляемость автомобиля лучше, когда эта точка лежит по центру пятна контакта.

Избегайте устанавливать колёса со слишком большим отрицательным вылетом. Заметим, что современные спортивные автомобили имеют колеса с большим положительным вылетом.


Взаимосвязь между продольным и поперечным углами наклона оси поворота

 

Эти два геометрических фактора тесно между собой связаны, поскольку при данном угле поворота рулевого колеса передние колеса изменяют свой развал при изменении любого из указанных факторов. Например, если автомобиль поворачивает вправо, левое переднее колесо приобретает дополнительный отрицательный развал, правое же колесо теряет отрицательный развал иногда вплоть до положительного. В противоположном повороте изменение углов развала меняет направление. Поведение подвески можно отслеживать в стационарных условиях: пусть кто-нибудь вращает рулевое колесо, а Вы наблюдайте за изменением положения колес относительно пола.

Комбинация углов продольного и поперечного наклона оси поворота может привести к желаемому закону изменения динамического развала колес. Например, если ступица имеет 9 градусов поперечного наклона оси поворота при 6 градусах продольного наклона, при данном угле поворота рулевого колеса развал увеличивается сильнее, чем при комбинации 12 градусов поперечного и 3 градусах продольного наклона. Однако, регулировать продольный наклон легче, чем поперечный.

Желаемый закон изменения развала колес при данном угле поперечного наклона оси поворота может быть получен регулировкой только продольного наклона. Как только Вы уясните основной принцип работы подвески, Ваш взгляд на геометрию передней подвески никогда не будет оставаться постоянным: чем больше будет получено знаний и опыта, тем интереснее будет проводить изменения настроек подвески.

На взаимосвязь углов наклона оси поворота колеса будет накладывать свое влияние крен кузова. Чем больше крен кузова, тем сильнее меняется развал колес в совершенно ненужном направлении. Восстановление баланса может быть направленным: либо установить более жесткие пружины подвески, либо стабилизаторы поперечной устойчивости, либо более жесткие амортизаторы.

Динамическая взаимосвязь изменений углов наклона оси поворота колеса, углов установки рычагов подвески, развала и крена кузова очень сложная, поэтому довольно трудно понять полностью работу подвески.