К вопросу о повышении устойчивости легковых автомобилей малого класса с всеколесным рулевым управлением

Морозов С.А., к.т.н., ООО «Полином»

УДК 629.113

Вопрос поиска дополнительных путей повышения устойчивости и управляемости, как существенный фактор обеспечения безопасности транспортных средств, остро стоял еще на заре автомобилестроения. Один из способов достижения этой цели исследователи видели в создании шасси с более чем одной управляемой осью. Первые попытки создания такого транспортного средства предпринимались еще до наступления эпохи господства двигателя внутреннего сгорания в качестве силового агрегата [4]. Однако лишь с развитием теории автомобиля, совершенствованием его конструкции и систем автоматического регулирования стало возможным появление схем, позволяющих оптимизировать параметры криволинейного движения автомобиля за счет изменения углов поворота колес нескольких осей.


Рисунок 1. Шасси З иЛ-135ЛМ с управляемыми колесами передней и задней осей.

Первоначально данные решения были направлены на повышение маневренности транспортных средств большой грузоподъемности, примером которых служат появившиеся в 1960-х годах образцы военной автомобильной техники (рис. 1, 2). Развитие теории движения автомобилей с несколькими управляемыми осями, существенный вклад в разработку которой внесен отечественными исследователями [1], [7], сделало прозрачными для понимания и во многом предсказуемыми особенности их поведения при эксплуатации.


Рисунок 2. Кинематическая схема трансмиссии З иЛ-135ЛМ . Углы поворота колес передней и задней осей изменяются в противофазе.

Как следствие, результаты многолетних исследований стали находить применение не только на специальных транспортных средствах, но и на легковых автомобилях, для которых проблема устойчивости и управляемости превалирует над задачей обеспечения маневренности в большей степени, нежели в случае автомобилей грузовых. На первых легковых автомобилях с всеколесным рулевым управлением (4WS), производство которых было начато в начале 1980-х годов, дополнительная степень свободы задних колес обеспечивалась исключительно кинематической связью переднего и заднего рулевых механизмов (рис. 3). Подобные решения находили применение на спортивных купе, преимущественно японского производства.


Рисунок 3. Конструкция рулевого привода Honda Prelude. 1 — рулевой механизм передних колес; 2 — промежуточный соединительный вал; 3 — рулевой механизм задних колес;

Оптимизация зависимости, определяющей соотношение углов поворота передних и задних колес, привела к возникновению функций, реализация которых способна предотвратить явление избыточной поворачиваемости за счет поворота передних колес в одном направлении при малых углах поворота рулевого колеса [4].

Развитие электронных контролирующих устройств привело к возникновению систем всеколесного рулевого управления со сложным алгоритмом функционирования, определяющимся как кривизной траектории движения, так и текущими значениями скоростных параметров (рис. 4). В настоящее время подобные системы в силу высокой сложности и стоимости находят применение на дорогостоящих автомобилях, высокие показатели устойчивости которых, помимо прочего, обеспечиваются наличием систем динамической стабилизации (ESC, DSC и т.п.).


Рисунок 4. Основные компоненты электронной 4WS системы. 1 — электронный блок управления; 2 — датчик поворота рулевого колеса; 3 — датчик скорости; 4 — датчик поворота задних колес; 5 — электромотор привода механизма поворота задних колес.

Бесспорные преимущества активной подвески задних колес в конце 1990-х были удачно использованы маркетологами производителей недорогих компактных автомобилей, относящихся к европейским размерным классам В и С, независимая подвеска задних колес которых обладает подруливающим эффектом за счет поворота задних колес при крене кузова. Конструкция направляющего аппарата таких подвесок такова, что задние колеса за счет эластичности шарниров поворачиваются синфазно передним, позволяя быстрее осуществить маневр по смене полосы движения, компенсируя угол увода, обеспечивая недостаточную поворачиваемость и возникновение сноса передней оси вместо более опасного заноса задней при потере сцепления шин с дорожной поверхностью.

Благодаря доступности данные модели пользуются большим спросом, и их количество на дорогах увеличивается с каждым годом. При этом устойчивость этих транспортных средств, безопасность их пассажиров и других участников движения возложена на подобраные параметры и кинематические настройки подвески, поскольку невысокая стоимость моделей «гольф-класса» во многом обеспечена отсутствием электронных систем динамической стабилизации и конструкторских решений, направленных на достижение высоких показателей управляемости, подобных тем, что встречаются на современных заднеприводных легковых автомобилях, передние колеса которых освобождены от функции реализации крутящего момента и работают в режиме, близком к чистому качению вследствие обеспечения их отклонения к центру поворота [2], [3].

Развитие конструкции ходовой части компактных автомобилей, имеющее целью повышение их устойчивости и управляемости, заключается, в основном, в совершенствовании задней подвески. В настоящее время большинство эластокинематических подруливающих подвесок представляют собой многорычажную конструкцию (рис. 5), обеспечивающую соединение каждого из задних колес с подрамником через поперечные параллельные рычаги и с кузовом автомобиля посредством качающегося продольного рычага и амортизаторной стойки.


Рисунок 5. Конструкция задней подвески Ford Focus. 1 — продольный рычаг; 2 — нижний поперечный рычаг; 3 — верхний поперечный рычаг; 4 — амортизаторная стойка.

При этом направляющий аппарат передней подвески в течение уже почти тридцати лет остается практически неподвластным времени и представляет собой хорошо зарекомендовавшую себя в эксплуатации, компактную и умеренную в стоимости подвеску типа McPherson.


Сочетание значений углов установки управляемых колес, при котором величина бокового наклона оси поворота существенно превышает величину продольного наклона (табл. 1), а также кинематические характеристики подвески McPherson вызывают тенденцию к отклонению наружного колеса от центра поворота, а внутреннего колеса — к центру поворота при движении автомобиля вдоль криволинейной траектории [5], [6], [8] (рис. 6а).



Рисунок 6. Наклон плоскостей вращения колёс: а — передней подвески; б — задней подвески.

Одним из свойств задней независимой подвески, структура направляющего аппарата которой включает двойные поперечные рычаги, является возможность выбора желаемого положения плоскостей колес при сжатии или отбое подвески. При этом оптимальным положением колес, которое призвана реализовать конструкция задней подвески при криволинейном движении, является их наклон к центру поворота (рис. 6б), что позволяет уменьшить негативное влияние увода колес, сокращая вероятность возникновения нежелательной избыточной поворачиваемости, позволяя реализовать бoльшие боковые нагрузки.

Легковые автомобили, оснащенные задней независимой подвеской с эффектом подруливания, демонстрируют явное преимущество в отношении свойств устойчивости и управлямости перед конструктивно идентичными автомобилями аналогичного класса, задние колеса которых связаны упругой балкой. Однако анализ уравнений движения автомобиля с независимой задней подвеской позволяет увидеть определенную несогласованность параметров передней и задней осей. Подтверждением этих выводов могут служить не прогнозируемые явления потери устойчивости в предельных режимах движения, сопровождающихся воздействием существенных по величине сил инерции, характерных для испытательных трасс.

Таким образом приобретает актуальность поиск путей совершенствования существующих конструкций задних и передних независимых подвесок, что послужит решению задачи улучшения показателей устойчивости и сделает поведение транспортного средства более предсказуемым.

Из рассмотрения схемы движения автомобиля (рис. 7), уравнений (1) — (5) равновесия относительно оси Y следует, что уменьшение боковых реакций колес задней оси за счет действия составляющей, вызванной качением наклоненного колеса и имеющей при его наклоне к центру поворота знак, противоположный знаку боковой нагрузки, обусловленной качением колеса с уводом под действием силы инерции, создает распределение составляющих силового баланса, характеризующееся увеличением боковых реакций передних колес. Описываемое явление может явиться причиной преждевременного сноса передней оси, чему помимо прочего способствует вероятное отклонение от центра поворота наружного наиболее нагруженного колеса.


Рисунок 7. Расчетная схема движения автомобиля по криволинейной траектории.


Наклон колес передней оси к центру поворота безусловно обеспечит повышении устойчивости передней оси против скольжения, но одновременно может способствовать возникновению нежелательной избыточной поворачиваемости вследствие изменения знака разности углов увода передней и задней осей (б2 — б1) на положительный.

Таким образом определяется направление исследований, целью которых на первом этапе должно стать обобщение экспериментальных материалов и последующее создание аналитического аппарата, призванного служить основой при проектировании подвески автомобилей со всеколесным управлением. В дальнейшем подлежит определению оптимальное соотношение кинематических параметров, позволяющее получить наивысшие из возможных показатели устойчивости автомобиля при движении по криволинейной траектории.


Список литературы:

1. Антонов Д.А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. — М.: Машиностроение, 1978. — 216 с.

2. Балабин И.В. Закон оптимального соотношения углов поворота и наклона управляемых колес при движении автомобиля по криволинейной траектории // Автомобильная промышленность. 2003. — №6. — С. 18-19.

3. Балабин И.В., Морозов С.А. Криволинейное движение АТС 4x2. Модели заноса и опрокидывания // Автомобильная промышленность. — 2005. №11 — С. 22-26.

4. Белоусов Б.Н., Попов С.Д. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности. Конструкция. Теория. Расчет. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 728 с.

5. Дэниэлс Д. Современные автомобильные технологии. — М.: АСТ: Астрель, 2007. — 223 с.

6. Иларионов В.А. Стабилизация управляемых колес. — М.: Транспорт, 1966. — 167 с.

7. Литвинов А.С. Управляемость и устойчивость автомобиля. — М.: Машиностроение, 1971. — 416 с.

8. Раймпель Й. Шасси автомобиля. Конструкции подвесок. — М.: Машиностроение, 1989. — 328 с.

К вопросу о повышении устойчивости легковых автомобилей малого класса с всеколесным рулевым управлением

Морозов С.А., к.т.н., ООО «ПОЛИНОМ»

В данной статье поставлена задача согласования кинематических параметров передней и задней подвесок легковых автомобилей с всеколесным рулевым управлением с целью улучшения показателей устойчивости при движении вдоль криволинейной траектории.

ON THE QUESTION OF ROAD STABILITY IMPROVING OF SMALL CLASS VEHICLES WITH 4WS-SYSTEM

Morozov S., Dr., POLINOM Co., Ltd.

The problem of coordination of kinematic parameters of front suspension and rear one of vehicle equipped with 4WS-system is formulated in order to advance stability of curvilinear vehicle movement.