Zatáčení auta – ovladatelnost auta a bezpečnost jízdy

Zatáčivost je schopnost automobilu měnit směr bez otáčení volantu. Existují dvě hlavní příčiny zatáčení: prokluzování kol způsobené boční pružností pneumatik a boční naklánění karoserie spojené s pružností zavěšení kol. Proto se rozlišuje mezi natáčením pneumatik a nakláněním automobilu.

Prokluz je odvalování kola pod úhlem k jeho rovině. Když na kolo s elastickou pneumatikou působí příčná síla Py, vektor rychlosti středu kola se odchyluje od roviny otáčení o určitý úhel d – úhel prokluzu. Síla Py a úhel prokluzu d souvisí s následujícím vztahem:

kde kу je součinitel odporu proti skluzu (první derivace příčné síly vzhledem k úhlu skluzu), N/rad.

Hodnota kу závisí na mnoha faktorech, z nichž nejdůležitější jsou hodnota úhlu skluzu, svislé a tečné síly působící na kolo a sklon kola vůči svislici. Vzhledem k tomu, že tyto faktory působí nezávisle na sobě, je jejich vliv na kу zohledněn experimentálními korekčními faktory. S ohledem na tyto faktory má vzorec (2.5) následující tvar:

Ru=q1Чq2Чq3Чq4Ч ku maxЧд,

kde q1 a q2 jsou koeficienty, které zohledňují změnu svislých a tečných sil působících na kolo;

q3 je koeficient, který zohledňuje změnu úhlu náklonu kola;

q4 je koeficient, který zohledňuje vliv úhlu d a povahu nosné plochy;

kу max — maximální součinitel odporu proti posunu při změně svislého zatížení a malých hodnotách d.

Experimentální závislosti úhlu d na Py pro některé pneumatiky jsou znázorněny na obrázku 2.2. Tyto závislosti jsou složité, ale při malých úhlech skluzu je lze považovat za přibližně lineární a koeficient kу je konstantní.

V případě driftu se střed otáčení vozu nenachází v bodě O, jako u vozu s tvrdými pneumatikami (obrázek 2.3), ale v bodě O1, tj. v průsečíku kolmic k vektorům rychlosti v1 a v2.

Pro auto s tvrdými pneumatikami d1 = d2 = 0 a pro poloměr dostaneme vzorec (1.4).

Trajektorie automobilu s tvrdými pneumatikami tedy závisí pouze na úhlu u. U automobilu s elastickými pneumatikami je ovlivněna úhly skluzu, které zase závisí na u, v a dalších faktorech. Pokud dojde ke skluzu, může se automobil pohybovat po zakřivené linii, i když u = 0. Zakřivení trajektorie závisí na poměru úhlů d1 a d2. Pokud d1 = d2, pak se řízení pneumatik automobilu nazývá neutrální.

Obrázek 2.2 Závislosti úhlu skluzu d na boční síle Py pro automobily s různými pneumatikami

Obrázek 2.3. Schéma pohybu automobilu s elastickými pneumatikami

I když v tomto případě, podle vzorce (1.4), Re = R, trajektorie vozu s tvrdými pneumatikami se neshoduje s trajektorií vozu s neutrální schopností otáčení, protože středy otáčení v těchto případech zaujímají různé polohy.

Když na automobil s tvrdými pneumatikami působí boční síla, udržuje si předchozí směr pohybu, dokud se tato síla nestane stejnou velikostí jako adhezní síla. Auto s neutrálním řízením pneumatik se pod působením boční síly pohybuje pod úhlem α k předchozímu směru pohybu.

Pokud d1 > d2, pak Re > R a pro pohyb vozu s elastickými pneumatikami po křivce o poloměru Re musí být řízená kola natočena pod větším úhlem než u tuhých pneumatik. V tomto případě se nedotáčivost pneumatik vozu nazývá nedotáčivost. Působením boční síly Py (obrázek 2.4, a) se během přímého pohybu pohybuje přední náprava vozu s nedotáčivostí v důsledku prokluzu pod úhlem d1 k předchozímu směru pohybu a zadní náprava pod úhlem d2. Vůz se otáčí kolem středu O1, v důsledku čehož vzniká odstředivá síla Pc, jejíž boční složka PcU směřuje opačným směrem než síla Py, což snižuje výslednou boční sílu a prokluz kol. V důsledku toho si vůz s nedotáčivostí v důsledku pneumatik stabilně udržuje přímočarý směr pohybu.

Obrázek 2.4. Vzory pohybu vozidla s různým řízením pneumatik:

a – s nedostatečným; b – s nadměrným

Součinitel otáčení se používá ke kvantitativnímu posouzení řízení pneumatik vozidla:

зпов=(G2/kу2)/(G1/kу1)= G2Чkу1/ (G1Чkу2),

kde kу1 a kу2 jsou součinitele prokluzového odporu přední a zadní nápravy vozidla.

Koeficienty řízení pneumatik

Naklánění řízení automobilu souvisí s konstrukcí jeho zavěšení. Obrázek 2.5 znázorňuje zadní nápravu s listovým pružinovým zavěšením automobilu zatáčejícího doprava. Přední konce pružin jsou spojeny s karoserií jednoduchým kloubem a zadní konce jsou spojeny vidlicovým závěsem. Když se pružina vychýlí, zadní náprava se pohybuje po oblouku mm, přičemž její osa kyvu se nachází v blízkosti kloubu. Působením příčné síly Pku se karoserie automobilu nakloní, což způsobí stlačení levých pružin a narovnání pravých pružin. Levá pružina se stlačuje a posouvá zadní nápravu dozadu (do bodu A) a pravá pružina se narovnává a posouvá ji dopředu (do bodu B). V důsledku toho se zadní náprava otáčí v horizontální rovině, jak je znázorněno přerušovanou čarou.

Pokud úhly natočení přední a zadní nápravy nejsou stejné co do velikosti nebo směru, pak se vůz v důsledku naklánění otáčí, ačkoli přední kola zůstávají v neutrální poloze. Pod působením stejné rušivé síly Py se tedy vůz A (obrázek 2.6) otočí doprava a vůz B doleva.

Obrázek 2.5 Rotace zadní nápravy s nakláněním karoserie

Odstředivá síla Pc vznikající během zatáčky směřuje u vozu A opačným směrem než rušivá síla Py a u vozu B stejným směrem. Proto si vůz A lépe udržuje směr pohybu při působení příčných rušivých sil.

Obrázek 2.6. Pohybové vzorce vozidel se závislým pružinovým zavěšením s různou schopností otáčení

Analogicky s nedotáčivostí pneumatik můžeme říci, že vůz A má nedotáčivost a vůz B přetáčivost.

U vozu s nadměrným náklonem, který je vystaven bočním silám, se zakřivení trajektorie neustále zvětšuje. To vede ke zvýšení odstředivé síly a dalšímu zmenšení poloměru otáčení. Maximální hodnota úhlu bočního náklonu je však obvykle omezena dorazy v konstrukci zavěšení kol. Náklon se proto nemůže zvětšovat donekonečna.

Naklánění kola automobilu úzce souvisí s řízením pneumatik, protože k prokluzování kol dochází nejen působením sil a momentů, ale také při naklonění kola do svislé polohy (odklon). Pokud se směr boční síly shoduje se směrem odklonu kola, prokluz se zvyšuje. Odklon kola 1° způsobuje prokluz 10-20′. U automobilů s nezávislým zavěšením kol na příčných pákách způsobuje naklánění karoserie změnu odklonu kola. U dvojitého lichoběžníkového zavěšení (obrázek 2.7) se kola naklánějí směrem k naklánění karoserie ve směru boční síly Py, což zvětšuje úhel prokluzu nápravy. U jednolistého zavěšení (obrázek 2.7, b) se kola naklánějí na stranu opačnou k naklánění karoserie, směrem k boční síle. V tomto případě se úhel prokluzu nápravy snižuje. V závislosti na konstrukci zavěšení tedy může naklánění kola buď zesílit, nebo zeslabit účinek řízení pneumatik.

Obrázek 2.7. Jízdní režimy vozidel s nezávislým lichoběžníkovým zavěšením kol s různou schopností naklánění

ovladatelnost vozidla bezpečnost provozuschopnost

Pro zajištění nedotáčivosti vozu je nutné, aby úhel skluzu přední nápravy byl větší než úhel skluzu zadní nápravy. Proto je nejběžnějším typem osobních automobilů přední nezávislé zavěšení na dvou pákách. Zadní zavěšení je vyrobeno závislé nebo nezávislé na jedné příčné páce. Nikdy nepoužívejte jednopákové zavěšení pro přední nápravu a dvoupákové pro zadní nápravu, protože to vede k prudkému zhoršení ovladatelnosti vozu.

Vzhledem k velkému počtu faktorů ovlivňujících ovladatelnost se skutečná trajektorie vozidla může výrazně lišit od vypočítané. Například při změně jízdního pruhu je vzdálenost xm potřebná k posunutí vozidla v příčném směru o um větší než vzdálenost určená vzorcem uvedeným v tabulce 2.1. Rozdíl mezi vypočítanými a experimentálními hodnotami závisí na rychlosti vozidla, adhezi pneumatik k vozovce a dalších faktorech. Vzhledem k tomu, že výpočet trajektorie s ohledem na všechny faktory je pracný, v praxi se boční posunutí vozidla určuje za předpokladu, že pneumatiky jsou tuhé, a vzdálenost xm se určuje pomocí korekčního faktoru km. Tento faktor ukazuje, kolikrát je skutečná dráha manévru xf větší než vypočítaná:

Součinitel manévru se určuje empirickými vzorci:

b pro suchý asfaltový beton………………… km =1,12 + 0,005Hv

ь pro led…………………….….km = 1,0 + 0,0033Čv

V [15] byl získán vzorec, který určuje maximální rychlost vск1 automobilu bez bočního prokluzu předních kol. Tato rychlost se nazývá kritická pro ovladatelnost. Pokud skutečná rychlost automobilu překročí kritickou rychlost, pak, jak bylo uvedeno výše, nedojde ke smyku, ale automobil částečně ztratí ovladatelnost. Při konstantní rychlosti nebude řidič schopen zmenšit poloměr zatáčky otáčením volantu. S rostoucí rychlostí automobilu a nezměněnou polohou předních kol se poloměr zatáčky automaticky zvětšuje v důsledku bočního prokluzu pneumatik na vozovce. Kritická rychlost automobilu pro ovladatelnost se snižuje s poklesem součinitele adheze. Ztráta ovladatelnosti je proto nejpravděpodobnější v případě jízdy na mokrém a kluzkém povrchu.

Vozidlo může také ztratit kontrolu nad vozidlem v důsledku prokluzování pneumatik. Pro vysvětlení této situace určíme úhel natočení řízených kol (v rad) ze vzorce (1.5):

u=(L/Re) – (d2 – d1). (2.7)

Úhly skluzu d1 a d2 jsou úměrné příčným silám Pу1 a Pу2, které jsou zase úměrné druhé mocnině rychlosti:

kde kу1 a kу2 jsou součinitele prokluzového odporu přední a zadní nápravy, N/rad;

M1 a M2 jsou hmotnosti přiřazené přední a zadní nápravě, v kg.

S rostoucí rychlostí vozidla se zvětšují i úhly skluzu. V tomto případě se úhel d2 zvětšuje rychleji než úhel d1 u vozidla s nadměrnou nedotáčivostí pneumatik. V důsledku toho se pravá strana výrazu (2.7) zmenšuje a při určité tzv. kritické rychlosti vuv se ukáže být rovna nule. Při této rychlosti se vozidlo začne pohybovat po zakřivené linii, ačkoli jeho řízená kola jsou v neutrální poloze. Pokud je rychlost vozidla větší než vuv, pak je rozdíl d2 – d1 > L/Re a úhel u se stává záporným. To znamená, že pro otočení vozidla doprava je nutné natočit přední kola doleva. Vozidlo s nadměrnou nedotáčivostí pneumatik tedy ztrácí kontrolu nad vozidlem, pokud je jeho rychlost větší než kritická rychlost vuv.

Pro určení kritické rychlosti, vezmeme-li úhel u = 0, dosadíme do vzorce (2.7) rozdíl mezi úhly d1 a d2 získanými z výrazů (2.8) a (2.9), pak:

d2 – d1=(M2 / kу2 – M1 / kу1)×v2/Re = L/Re

Kritická rychlost za podmínek skluzu tedy:

Auto s nedostatečným nebo neutrálním řízením pneumatik nemá kritickou rychlost, protože když d1 = d2 je výraz pod kořenem záporný a rychlost vuv je imaginární veličina, a když d1 = d2 je rovna nekonečnu.

Pro zajištění nedotáčivosti vozu je tlak vzduchu v pneumatikách předních kol mírně snížen ve srovnání s tlakem v pneumatikách zadních kol, čímž se snižuje součinitel řízení (SC). Kromě toho je těžiště vozu mírně posunuto směrem k přední nápravě, což zvyšuje podíl odstředivé síly působící na řízená kola.