CC BY
63
УДК 656.052.8
АЛЬТЕРНАТИВНИЙ П1ДХ1Д ДО ОЦ1НКИ ПОПЕРЕЧНО! СТ1ЙКОСТ1 АВТОМОБ1ЛЯ
С.А. Осташевський, проф., к.т.н., А.Л. Башинський, ад'юнкт, Нацюнальна академия ДержавноУ прикордонноУ служби УкраУни,
м. Хмельницький
Анотаця. Запропоновано альтернативний nidxid до оценки показниюв поперечног стткост! автомобмв з урахуванням передачi сили поперечно-кутових коливань системи «автомобшь -дорожне покриття» на опорну поверхню та розрахункову схему для визначення реакцт дороги на колеса автомобшя з урахуванням перемщень центрiв мас та колiс автомобшя.
Ключов1 слова: сттюсть, автомобшь, статична сттюсть, методи випробувань, розрахунко-ва схема.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМОБИЛЯ
С.А. Осташевский, проф., к.т.н., А.Л. Башинский, адъюнкт, Национальная академия Государственной пограничной службы Украины,
г. Хмельницкий
Аннотация. Предложены альтернативный подход к оценке показателей поперечной устойчивости автомобилей с учетом передачи силы поперечно-угловых колебаний системы «автомобиль - дорожное покрытие» на опорную поверхность и расчетная схема для определения реакций дороги на колеса автомобиля с учетом перемещений центров масс и колес автомобиля.
Ключевые слова: устойчивость, автомобиль, статическая устойчивость, методы испытаний, расчетная схема.
AN ALTERNATIVE APPROACH TO ASSESSING THE LATTERAL STABILITY OF THE CAR
S. Ostashevskyi, Prof., Ph. D. (Eng.), A. Bashynskyi, Adj., National Academy of State Border Service of Ukraine, Khmelnytskyi
Abstract. An alternative approach to performance assessment of the transverse stability of cars, considering transferring the force of transverse corner fluctuations of the «car - pavement»system on the supporting surface and the calculation scheme for determining the reactions of the road on the wheels of a vehicle based on movement of the center of masses and the wheels of the car.
Key words: stability, car, static stability, test methods, design scheme.
Вступ
Стшюсть e одшею з найважливших експлу-атацшних властивостей автомобшя. Збере-ження стшкосп автомобшя дозволяе штен-сифшувати транспортш перевезення та гарантувати безпеку руху автотранспортних засобiв.
Системи електронного контролю стшкосп, яю встановлюються на транспортних засобах з високо розташованим центром мас, розра-ховаш на виконання додатково! функцп «контроль стшкосп до перекидання». Основна вщмшнють у робот пристрою контролю за стшкосп до перекидання полягае в тому, що транспортний зашб у деякш мiрi все одно
вщхилиться вiд напрямку руху, заданого во-дieм, з метою зменшення величини бокового прискорення, яке може стати причиною пе-рекидання [1].
Аналiз публiкацiй
Зауважимо, що при виршенш багатьох науково-практичних задач разом i3 покра-щенням стiйкостi полшшуеться i керованiсть автотранспортних засобiв. Проблему полш-шення показникiв стiйкостi та керованосп сiдлового автопо!зда розглядали таю вiдомi вченi, як Антонов Д.А., Аксенов П.В., Волков В.П., Закш Я.Х., Лггвшов А.С., Подрига-ло М.А., Сахно В.П., Солтус А.П., Смiр-нов Г.А., Фаробш Я.е. [2, 3, 5, 7, 8].
Проте на сьогоднi контроль стшкосп до пе-рекидання являе собою новий метод, котрий перебувае у стади розробки, та алгоритм ро-боти зазначених систем не дозволяе прогно-зувати характер поперечно-кутових коливань транспортного засобу тд час руху [1].
Мета i постановка завдання
Метою статп е визначення перспективних напрямiв дослiджень методiв визначення по-казникiв стiйкостi автомобiля.
Пщхщ до оцiнки поперечно!" стiйкостi автомобшя
Коливання автомобiля в основному виника-ють пiд час руху по дорожшх нерiвностях. Вертикальна жорсткiсть як передньо!, так i задньо! шдвюки сучасних автомобiлiв знахо-диться у межах 20-60 кН/м, а вертикальна жорстюсть шин - 200-450 кН/м (менше зна-чення жорсткостi вщноситься до легкових автомобiлiв, а бшьше - до вантажних). «М'яка» шдвюка у момент подолання пере-шкоди значно деформуеться, викликаючи поперечно-кутовi коливання шдресорено! маси, якi затухають доволi повiльно. Шини викликають високочастотнi коливання автомобшя [2].
Таким чином, коливання автомобшя умовно роздшяють на низькочастотш (до 15-18 Гц) та високочастотш. З високими частотами пе-реважно коливаються непiдресоренi маси, а з низькими - шдресореш, причому вага нетд-ресорених мас не сприймаеться пiдвiскою, а передаеться через шину на опорну поверхню;
вага ж тдресорених мас передаеться через пружш елементи пiдвiски [2].
За результатами дослщжень [3] встановлено, що поперечно-кутовi коливання транспортного засобу впливають не лише на оргашзм людини, а й попршують поперечну стiйкiсть автомобiля та залежать вщ завантаженостi транспортного засобу. Так, стшюсть сщлово-го автопо!зда зменшуеться на 13-27 %, а критична швидюсть руху сiдлового автопо!з-да по перекиданню - в 1,13-1,28 разiв у порь вняннi зi значеннями, отриманими методами, визначеними стандартом Украши [4]. У робот [3] автором уточнено математичну модель поперечно-кутових коливань сщлового автопо!зда iз пневматичною пiдвiскою при рус по нерiвностях дорожнього покриття на прямолшшних дiлянках та при виконанш маневрiв типу «поворот», «переставка» з урахуванням впливу завантаженостi натвп-ричепа на крен платформи. А також запро-поновано формулу для визначення коефще-нта поперечно! стшкосп транспортного засобу з урахуванням таких факторiв:
- крен моста вщносно дороги;
- крен платформи натвпричепа вщносно дороги;
- розташування вантажу;
- ухил дороги;
- зсув точки перекидання унаслщок дефор-мацп шин.
Разом з тим, аналiз сумiщених за часом кри-вих коливань кузова над передшми i заднiми колесами та переднiх, задшх колiс вiдповiдно (рис. 1), отриманих у ходi випробувань автомобшя на стендi з безкiнечними дорожшми стрiчками, показуе, що коливання тдресорених мас сильно в^^зняються вщ коливань непiдресорених мас як за перюдом коливань, так i за фазою.
Таким чином, на в^^зку часу А?, протягом якого вщбуваеться максимальне вщхилення кузова вщ точки рiвноваги та повернення його у вихщне положення, вiдбуваеться декь лька перiодiв коливань непiдресорених мас (Тк), що свщчить про перiодичну змiну нор-мальних та бокових реакцш на колесах транспортного засобу. Отже, за в^^зок часу А? вщбуваеться декшька перiодiв змiни сил зче-плення мiж колесами та дорожнiм покрит-тям. Тодi у перiод часу А? виникають моме-нти, коли вказаш сили зчеплення досягають сво!х мiнiмальних значень, за одночасного
збереження обертального моменту, виклика-ного перемщенням пiдресорених мас.
Рис. 1. Кривi коливань частин автомобiля, сумщених за часом [2]: 1 - передшх колiс; 2 - кузова над передшми колесами; 3 - задшх колiс; 4 - кузова над зад-нiми колесами
Розподш нормальних i бокових реакцш дороги мiж колесами одше! осi справляе суттевий вплив на стшюсть та керованiсть транспортного засобу [5]. У даному випадку нормальш реакци на колесах транспортного засобу слщ розглядати як деяю динамiчнi зусилля R [6], що передаються вiд колiс на дорожне пок-риття у точцi !х контакту пiд час здiйснення поперечно-кутових коливань системи «авто-мобшь-дорожне покриття»
R = ReR(t) = R0 • гоз^ ^-у). (1)
Вщомо, що порушення стiйкостi пiд час установленого руху по колу (повороту на поперечному нахил^ проявляеться у боковому ковзанш колiс або перекиданнi автомобь ля у площиш, перпендикулярнiй до поздов-жньо! осi, та умовами втрати стшкосп е [7]
та
P]y - cos ß-G- sin ß = X Ry
(P]y - cosß — G- sinß)- h = = (G - cosß + Py - sinß)- m,
(2)
(3)
де Pjy - сила iнерцiï автомобшя; ß - кут на-хилу опорноï поверхнi; G - вага автомобшя; ^ Ry - сума проекцiй реакцiй на поперечну вюь, що дiють на колеса; h - плече переки-
дального моменту; т - плече вiдновлюваль-ного моменту.
Таким чином, поперечна складова сили шер-ци Ру може викликати поперечне ковзання
колiс транспортного засобу у випадку, коли вона стане рiвною силi зчеплення колiс iз дорожшм покриттям. Сила зчеплення колiс iз дорожнiм покриттям визначаеться як
Ry = Ry ,
(4)
де цу - коефщент зчеплення шини з дорожшм покриттям.
Отже, вщома розрахункова схема для визна-чення нормальних та бокових реакцш дороги на колесах тд час руху автомобшя по узпр'ю (рис. 2) потребуе подальшого удос-коналення, оскшьки на стiйкiсть транспортного засобу мають суттевий вплив не лише перiодична змша координат центру мас, що приводить до перюдично! змiни значень величин hg та т, але й перюдична змша координат центрiв колю, що веде до змши значень сил реакцш дороги на колеса транспортного засобу та до перюдично! змь ни сил зчеплення мiж колесами транспортного засобу i дорожшм покриттям.
Рис. 2. Розрахункова схема сил для визна-чення вертикальних (сумарних) реакцш на колесах [5]
Тодi тд час визначення граничного кута поперечного нахилу дороги вщносно горизонту, за якого забезпечусться стшюсть транспортного засобу проти перекидання, за
G
Ц>
f
/| G Т
X
У
Рис. 3. Розраxyнкова сxема для визначення коефщента передачi сили: ф,0 - кути крену тдре-сорениx та непiдресорениx мас; h4Q - висота центру обертання пiдресорениx та нетдресо-рениx мас
коренням Ay,, що може виникнути в ре-
PÍbhhhhhm момешгв вiдносно т. О (рис. 2) у otctcmí координат (zx;yj) необхiдно враху-вати сили, яю виникатимуть у результат ко-роткочасного проковзування колеса у т. О вздовж ос yj на деяку величину Ayj Í3 прис-
d! dt2
зультатi досягнення мшмуму сил зчеплення колiс Í3 дорожтм покриттям в т. О при пов-нiстю розвантажених колесах протилежного борту автомобшя. У такому випадку переки-дальний момент G ■ h ■ sin р збшьшиться на
d2
деяку величину ma ■ h ■ j-j Ayj . Рiвняння мо-ментв набуде такого вигляду
де ^ - коефiцieнт поперечно1' стiйкостi транспортного засобу.
Таким чином, зi зростанням кута наxилy опорно1' поверxнi складова рiвняння (6)
-1---d2 Ay, зростатиме. Наприклад, за
g ■ cos ß dt
значення кута ß = 40 о спiввiдношення
1
g■cosß
! 0,1332,
d2
В
G ■ h ■ sin ß + ma • h--- Ay, = G---cos ß, (5)
a dt2 2
де B - колiя автомобiля; ma — маса автомобшя.
З рiвняння (5) отримаемо
^ = tan ß =
B
2■h g■cosß dt
1 d2
■—AУl, (6)
що при проковзувант автомобiля i3 приско-ренням 1 м/с2 може призвести до зменшення кута ß на 7,58°, а rç - на 0,13, за ïx значень
для вантажних автомобiлiв 30°-40° та 0,550,8 вiдповiдно. Таким чином, перюдична змiна сил зчеплення колю iз дорожнiм покриттям тд час поперечно-кутових коливань пiдресорениx та нетдресорених мас автомо-бiля, за певних умов, може суттево вплинути на стшкють транспортного засобу.
Оскшьки найважливiшою особливiстю коливань транспортного засобу е те, що тд час руху на дорогах довшьного профшю штен-сивнi коливання кузова вщбуваються з частотами, близькими до низьких власних частот, а коливання колю - до високих власних
z
h
g
h
частот [8], то вказана особливють дозволяе застосувати розрахункову схему (рис. 3) для дослiдження впливу перiодичноï змши реак-цiй дороги на колеса автомобшя на його по-перечну стшкють.
Висновок
Отже, обчислення передачi сили коливань вiд системи «автомобшь-дорожне покриття» на опорну поверхню за розрахунковою схемою (рис. 3) надасть можливють дослiдити змiну у чаш радiальних та бокових реакцiй дороги на колесах автомобшя з урахуванням поперечно-кутових коливань центру мас та центрiв колю транспортного засобу, скласти прогнозну модель поведшки транспортного засобу на дорозi з урахуванням змши сил зчеплення шин з дорожшм покриттям.
Лггература
1. Электронные системы контроля устойчивости: ECE/TRANS/180/Add.8 - [Введет в Глобальний регютр. 2008-06-26] -Женева: Глобальный регистр. ООН, 2008. - 116 с.
2. Кушвид Р.П. Испытания автомобиля: учебник/ Р.П. Кушвид. - М.: Издательство МГИУ, 2011. - 351 с.
3. Гречанюк М.С. Полшшення показниюв поперечноï стшкосп сщлового авто-поïзда з пневматичною шдвюкою: авто-реф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 05.22.02 «Авто-
мобш та трактори» / М.С. Гречанюк. -Львiв, 2013. - 21 с.
4. Засоби транспортш дорожш. Стiйкiсть. Методи вивчення основних параметрiв випробуваннями: ДСТУ 3310-96. -Чинний вщ 1997-01-01. -К.: Держстан-дарт Украши, 1996 - 10 с. - (Державний стандарт Украши).
5. Подригало М.А. Новое в теории эксплуатационных свойств автомобилей и тракторов: монография / М.А. Подригало. -Х.: Академия ВВ МВСУ, 2013. - 222 с.
6. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний: учебник для вузов / В.Л. Бидерман. - М.: Высшая школа, 1980. -408 с.
7. Литвинов А.С. Теория эксплуатационных свойств: учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / А.С. Литвинов, Я.С. Фаробин. - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.
8. Вшович 1.А. Теорiя руху транспортних засобiв: шдручник / 1.А. Вшович. -Львiв: Видавництво Львiвськоl полггех-шки, 2013. - 672 с.
Рецензент: В.П. Волков, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 15 грудня 2015 р.
