Углы Аккермана, схождение колес, «ударное управление» и стабилизаторы поперечной устойчивости

Глава 6. Углы Аккермана, схождение колес, «ударное управление» и стабилизаторы поперечной устойчивости

 

Углы Аккермана (рулевой трапеции)

 

Рычаги «А» рулевой трапеции наклонены внутрь колеи. Рулевая рейка «В» располагается за центрами колес «С-С».

 

Рычаги «А» рулевой трапеции наклонены внутрь колеи. Рулевая рейка «В» располагается за центрами колес «С-С».

 

Рулевая трапеция расположена перед центрами колес. Рычаги рулевой трапеции наклонены из колеи. Геометрически разницы в конструкциях, приведенных здесь и на предыдущем рисунке, нет.

 

Рулевая трапеция расположена перед центрами колес. Рычаги рулевой трапеции наклонены из колеи. Геометрически разницы в конструкциях, приведенных здесь и на предыдущем рисунке, нет.

 

Переднерасположенная рулевая рейка с отрицательным развалом передних колес.

 

Переднерасположенная рулевая рейка с отрицательным развалом передних колес.

 

В повороте внутреннее колесо катится по траектории с меньшим радиусом, чем внешнее. Для компенсации этого эффекта применяются два основных способа, обеспечивающих больший поворот внутреннего колеса, чем внешнего.

В первом случае в систему подвески/рулевого управления вводится геометрия Аккермана (рулевая трапеция). Почти всегда это означает, что рулевые тяги устанавливаются за осью, соединяющей центры колес. Основным преимуществом установки рулевой трапеции является то, что при рычагах трапеции, наклоненных внутрь колеи, при повороте колес осуществляется автоматическое увеличение угла поворота внутреннего колеса по отношению к внешнему, поскольку рулевой рычаг внутреннего колеса уже прошел положение максимального эффективного удлинения, в то время как рычаг внешнего колеса еще нет.

Разница в эффективной длине рычагов рулевой трапеции и обеспечивает разность углов поворота колес. Если рулевая трапеция устанавливается спереди центров колес, то ее рычаги должны быть направлены из колеи автомобиля.

Практически геометрия рулевой трапеции в обоих случаях одинакова. Ограничением применимости второго типа трапеции (с передними рычагами) является контакт с колесным диском.

Поворотный кулак в основном изготавливается совместно с рулевым рычагом. На машинах старых типов рулевой рычаг был съемным, сейчас такой вариант конструкции практически не применяется. Если рычаг съемный, для изменения углов рулевой трапеции можно установить другой рычаг. Рулевые рычаги должны изготавливаться из высокопрочной стали и пройти проверку на соответствие местным законодательным требованиям.

ВНИМАНИЕ: рулевые рычаги можно отрезать от ступицы и приварить новые или нагреть и согнуть имеющиеся. Однако это потенциально опасно, мы не рекомендуем проводить такие операции, кроме того, это может быть незаконно с точки зрения местного законодательства (правил дорожного движения).

Второй путь изменения углов поворота в установке отрицательного схождения колес, но не более чем на 2,5 мм. В этом случае внутреннее колесо будет фактически повернуто на больший угол, чем внешнее.

Внешнее (по отношению к повороту) колесо всегда более нагружено и является в этой ситуации управляющим колесом. Вне зависимости от угла поворота внешнего колеса внутреннее колесо, благодаря отрицательному схождению, всегда имеет больший угол поворота. Метод коррекции с помощью отрицательного схождения главным образом применяется при установке рулевых рычагов перед центрами управляемых колес.

Если какое-либо колесо поворачивается на угол, меньший, чем требуется в идеальной ситуации, колеса начнут «тащить» друг друга, что приводит к недостаточной поворачиваемости. При наличии недостаточной поворачиваемости автомобиль вместо того, чтобы начать поворот, продолжает двигаться по прямой и водитель чувствует, что автомобиль неадекватно отвечает на движение рулем. Это вынуждает поворачивать руль больше, чем требуется или, для компенсации возникшего эффекта, снизить скорость похождения поворота (если, конечно, не вмешаться в подвеску с точки зрения улучшения управляемости).

Как правило, спортивные автомобили оборудуются рулевой трапецией для предотвращения эффекта недостаточной поворачиваемости и быстрого отклика автомобиля на движение рулевого колеса. При нормальных траекториях движения управляемые колеса поворачиваются относительно положения прямолинейного движения на небольшой угол (обычно не более 20 градусов).

 

Положительное схождение (Toe-In)

 

Положительное схождение передних колес.

 

Положительное схождение передних колес.

 

Под положительным схождением понимают установку колес одной оси под углом к центральной оси автомобиля. Вершина угла установки колес при положительном схождении направлена вперед. При независимой задней подвеске колеса задней оси всегда устанавливают с положительным схождением. На передней оси колеса могут быть установлены как с положительным, так и с отрицательным схождением (обычно на переднеприводных автомобилях). Величина положительного схождения ведомых колес устанавливается в диапазоне 1,5÷3,2 мм.

При установке рулевой рейки перед осью центров колес о положительном схождении речи быть не может, в этом случает колеса получают отрицательное схождение в диапазоне 0÷2 мм.

Если рулевые рычаги устанавливаются за центрами колес (и с применением реальной рулевой трапеции) устанавливают положительное схождение в диапазоне 0÷1 мм или, при недостаточной поворачиваемости, устанавливается отрицательное схождение до 2 мм максимум.

Одной из причин применения положительного схождения на заднеприводных автомобилях является способность автомобиля поддерживать заданную траекторию движения (курсовая устойчивость). Если на автомобиле установлено положительное схождение колес, то он имеет этот стабилизирующий эффект, и при применении рулевой трапеции в повороте внутреннее (по отношению к повороту) колесо будет повернуто слегка больше, чем внешнее. Данное обстоятельство показывает преимущество установки рулевой трапеции за центрами колес. Однако, применить такое техническое решение не всегда просто на спортивном автомобиле.

Положительное схождение колес может стать причиной недостаточной поворачиваемости автомобиля из-за эффекта «борьбы» колес при неудовлетворительном изменении углов поворота внешнего и внутреннего колес. Причем на низких скоростях такое положение вещей может быть не заметно, но эффект будет нарастать с увеличением скорости. Положительное схождение передних колес является стандартом для серийных заднеприводных автомобилей. Настройка заднеприводного автомобиля на отрицательное схождение является общим способом увеличения эффективности прохождения поворотов, но она может дать и обратный эффект: автомобиль может повести себя нестабильно, особенно при тяжелом торможении.

 

Отрицательное схождение

 

Отрицательное схождение передних колес.

 

Отрицательное схождение передних колес.

 

Положение центра «В» шарнира рулевой тяги определяется положением рулевой рейки на шасси. Расположение центров шарниров рычагов подвески и рулевой тяги на поворотном кулаке (А-В-С) должно быть таким, как показано на рисунке. То же относится к положению центров шарниров (D-E-F) на шасси. Кроме того, оси «A-D», «В-Е» и «C-F» должны быть параллельны (в плане).

 

Положение центра «В» шарнира рулевой тяги определяется положением рулевой рейки на шасси. Расположение центров шарниров рычагов подвески и рулевой тяги на поворотном кулаке (А-В-С) должно быть таким, как показано на рисунке. То же относится к положению центров шарниров (D-E-F) на шасси. Кроме того, оси «A-D», «В-Е» и «C-F» должны быть параллельны (в плане).

 

Высота установки рулевой рейки определяется положением центра шарнира «В». Центр шарнира «Е» не должен быть выше или ниже центра шарнира «В» более, чем на 1,5 мм. В противном случае «ударное управление» обеспечено.

 

Высота установки рулевой рейки определяется положением центра шарнира «В». Центр шарнира «Е» не должен быть выше или ниже центра шарнира «В» более, чем на 1,5 мм. В противном случае «ударное управление» обеспечено.

 

Установка отрицательного схождения передних колес является часто применяемым способом, чтобы добиться изменения углов поворота колёс. Если внутреннее (по отношению к повороту) колесо повернуто меньше или по крайней мере так же, как внешнее, автомобиль может приобрести недостаточную поворачиваемость. Предельная величина отрицательного схождения ограничена примерно 3,5 мм.

Проблемой при установке отрицательного схождения является устойчивость автомобиля при тяжелом торможении: в этом случае передние колеса имеют тенденцию к увеличению отрицательного схождения из-за податливости шарниров рулевого управления, автомобиль (даже при торможении на прямой) имеет нестабильность курса и, в худших случаях, начинает рыскать. К такому поведению автомобиля приводит установка отрицательного схождения передних колес более чем 3,5 мм (до этой величины схождение обычно не сказывается на курсовой устойчивости при торможении).

Если при тяжелом торможении автомобиль имеет плохую курсовую устойчивость, установите положительное схождение колес (примерно в 1,5 мм) и проверьте поведение автомобиля при тяжелом торможении при этой настройке. Если нестабильность курса исчезла, то причиной потери курсовой устойчивости был избыток отрицательного схождения колес. Затем установите нулевое схождение и снова проведите проверку курсовой устойчивости. Если автомобиль стал нестабильным при торможении, установите отрицательное схождение в 1,5 мм и проведите следующую проверку.

В результате тестов должна быть определена такая величина отрицательного схождения, которая обеспечивает надежность прохождения поворотов, но не приводит к потере курсовой устойчивости при тяжелом торможении.

Для обеспечения прохождения поворотов без проявления недостаточной поворачиваемости лучше избрать путь изменения геометрии рулевого привода, чем применять большие величины отрицательного схождения колес (более 3,5 мм). Изменение отрицательного развала только один из путей улучшения отклика автомобиля на поворот рулевого колеса. В идеальном случает схождение должно быть нулевым. Однако, на практике лучшие характеристики управляемости в поворотах показывает автомобиль с хорошо подобранным отрицательным схождением колес.

ВНИМАНИЕ: автомобили со слишком большим отрицательным схождением очень легко теряют курсовую устойчивость, особенно если водитель не будет внимателен на 100%.


«Ударное управление» (Bump Steer)

 

Под «ударным управлением» понимается наличие ударов на рулевом колесе из-за изменении схождения колес относительно дороги при наезде колеса на неровности (бугры или впадины) покрытия. В идеальном случае «ударное управление» должно отсутствовать.

Причина «ударного управления» лежит в геометрических соотношениях положения рулевой рейки, длины рулевых тяг, точек крепления и центров шаровых шарниров рычагов подвески, длины рычагов подвески.

При рассмотрении «ударного управления» во внимание должно приниматься два соображения. Во-первых, это положение центра шарнира рулевой тяги на поворотном кулаке (определяет высоту установки рулевой рейки на шасси). Во вторых, положение рейки относительно точек крепления рычагов подвески.

Положение поворотного рычага на ступице определяет вариант установки рулевой рейки. Обычно рейка располагается позади оси колёс. Желательно, чтобы точки крепления рейки имели возможность регулировки по высоте (пусть и небольшие) для приспосабливания к изменению длины рулевых тяг при регулировке схождения колес. Например, для смены положительного схождения в 1,5 мм на отрицательное схождение в 2 мм рулевые тяги нужно немного укоротить и затем соответственно сменить положение рулевой рейки.

Рулевая рейка имеет с обоих концов шаровые шарниры. Расстояние между центрами шарниров является критическим фактором при проектировании и изготовлении подвески (определение точек крепления рычагов). Тип рулевой рейки должен быть выбран до принятия основных конструктивных решений по подвеске, если Вы не хотите неожиданно получить «ударное управление».

Потенциальную возможность наличия «ударного управления» очень легко проверить. Проверка проводится с каждой стороны подвески по отдельности. Перед автомобиля приподнимают на домкрате, передние колеса устанавливают в положение прямолинейного движения и затем их снимают. Для облегчения перемещений рычагов подвески нужно снять стойку (пружину и амортизатор) или только пружину подвески. После этого рычаги подвески можно перемещать на полный ход подвески относительно легко. Изменение схождения колес при изменении хода рычагов можно наблюдать визуально или измерять. Особенно удобно определять изменение схождения колес при установленных тормозных дисках. Если при смене хода подвески меняется схождение колес, то имеет место и «ударное управление».

«Ударное управление» можно устранить или снизить его влияние небольшими перемещениями рулевой рейки вверх или вниз в точках крепления (обычно для этих целей в кронштейнах крепления рейки выполняются овальные отверстия). Если рулевая рейка изначально установлена правильно и длины тяг рулевого управления выбраны корректно, то величина изменения положения рейки относительно шасси очень небольшая.

Если полностью устранить эффект «ударного управления» не удается, по крайней мере постарайтесь сделать так, чтобы при ходе сжатия подвески схождение шло в сторону положительной величины, а при ходе отбоя — в сторону отрицательной величины. При этом будет достигаться компромисс между «ударным управлением» и креном кузова при прохождении поворотов. Например, при прохождении левого поворота левое переднее колесо при ходе отбоя подвески приобретает отрицательное схождение, правое же колесо не имеет нежелательной тенденции к положительному схождению, поскольку пружины не успевают полностью отслеживать ход подвески. Таким образом, «ударное управление» (естественно, незначительное) может на Вас поработать.

 

Стабилизатор поперечной устойчивости

 

Современные спортивные автомобили имеют довольно низкую высоту подвески и низкое расположение центра тяжести. Соответственно, крен кузова у них обычно еле заметен. Однако, даже у автомобилей с низкой посадкой, крен кузова остается проблемой, поскольку водителям нравиться проходить повороты без кренов, на высокой скорости и с полной управляемостью автомобиля. В первом приближении для уменьшения крена кузова устанавливают пружины подвески большей жесткости. Для применения дополнительных стабилизаторов реально нет оснований, поскольку автомобиль обычно довольно легкий и с креном можно справиться только правильным выбором пружин. Главным аргументом против установки стабилизаторов является частичная потеря свойств независимой подвески колес, причем потеря тем больше, чем жестче стабилизатор.

Если автомобиль конструктивно имеет стабилизатор поперечной устойчивости (часто из-за того, что автомобиль-донор имеет такую конструкцию подвески), добавлять жесткости стабилизатору не надо, подберите жесткость пружин подвески. На экомобилях с высоким положением центра тяжести часто нет альтернативы стабилизатору или другим устройствам, снижающих крен кузова.

При установке стабилизатора можно применять относительно мягкие пружины подвески. Однако, нужно оставаться в границах хорошей управляемости креном при скоростном движении на извилистых дорогах. Стабилизатор изготавливается из пружинной стали и работает как пружина скручивания: чем больше крен автомобиля, тем сильнее сопротивление стабилизатора (естественно, в пределах прочности материала). Обычно стабилизатор задействуется при кренах кузова больше 3÷4 градусов и предотвращает дальнейший рост крена, при этом стабилизатор работает только при движении в поворотах и по неровной дороге. Другими словами, при отсутствии стабилизатора из-за установки пружин средней или малой жесткости крен кузова может достигать величины 7 градусов и выше.

На автомобили с низким положением центра тяжести можно установить относительно мягкие пружины подвески и легкий стабилизатор, однако при торможении передняя часть автомобиля будет «нырять», если не применить специальную противоклевковую конструкцию подвески. Запомните, пружины передней подвески всегда должны быть достаточно жесткими для предотвращения излишних клевков кузова при торможении.

При установке стабилизатора нужно обеспечить его жесткость так, чтобы она была минимально необходима для предотвращения крена кузова или, по крайней мере, крен был в допустимых пределах (чем жестче стабилизатор, тем в большей степени теряется независимость подвески колес).

Нежесткие или изношенные опоры стабилизатора уменьшают эффективность работы стабилизатора.