Полный привод - погружение в теорию (часть II)

Рассматривая потенциальные преимущества полноприводных дорожных автомобилей, остается уяснить, что полноприводная схема трансмиссии может дать при динамичном маневрировании.

Теория движения колесных машин (для краткости будем называть эту науку ТДКМ) утверждает, что прямолинейное движение - понятие условное. Автомобили большую часть времени движутся криволинейно: изменяют траекторию под действием боковых сил, перестраиваются, объезжают препятствия, поворачивают. Собственно поворотом принято называть такое криволинейное движение, которое совершается по желанию водителя и при его содействии. Каждому водителю из личного опыта известно, что желание выполнить поворот на высокой скорости может привести к буквально катастрофическим последствиям. К каким и почему? Вот как отвечает на эти вопросы теория.

ТДКМ - штука довольно сложная для восприятия. Поэтому погружаться в нее будем с осторожностью и лишь настолько, чтобы в принципе разобраться, в чем может быть польза полноприводной трансмиссии при скоростном маневрировании. Согласно теории предельными случаями потери устойчивости автомобиля являются неконтролируемое боковое скольжение (занос) одной или нескольких осей и опрокидывание. Первый из них наиболее распространенный. Так что будем искать условие возникновения заноса оси при прохождении поворота.

При повороте автомобиля с высокой скоростью главным «возмутителем спокойствия» является центробежная сила (ЦС):
Fцб = mа V2 / rп, где mа - масса автомобиля, V - скорость, rп - радиус траектории поворота.

По направлению действия ЦС является боковой (или поперечной) силой. Ее равнодействующая считается приложенной в центре масс автомобиля. Поскольку ЦС имеет инерционный характер, она «делится» между колесами в соответствии с распределением массы по автомобилю (его развесовкой). Чем ближе к оси расположен центр масс, тем большая часть ЦС приходится на ось и, в свою очередь, на каждое ее колесо. Таким образом, каждое колесо автомобиля в повороте нагружается боковой силой.

Не будь никакого механизма противодействия боковым силам, колеса (а вместе с ними и автомобиль) бесконтрольно смещались бы на внешнюю часть траектории. Что удерживает их от перемещения? Логика и знание основ физики подсказывают: «тут не обходится без сил сцепления колеса с дорогой». Действительно, они имеют место быть. Но ограничиться такой фразой значило бы профанировать науку о движении автомобилей - она не отражает всей сложности процессов в контактной зоне колеса, описанию которых посвящена примерно треть увесистого «талмуда» ТДКМ. Поэтому позволим себе еще несколько фраз.

Согласно ТДКМ, как только на катящееся эластичное колесо действует любая поперечная сила (центробежная, сила ветра и т.д.), возникает его боковой увод. Вектор скорости колеса отклоняется от плоскости вращения в направлении действия боковой силы. Иными словами, колесо движется под углом к плоскости вращения, который называют углом увода. В результате движения колеса с уводом в пятне контакта возникает так называемая боковая реакция (Ry), которая уравновешивает ЦС и препятствует скольжению колеса. Механизм ее формирования объясняется так. Боковая сила смещает колесо в поперечном направлении, в то время как часть шины в районе опорной площадки остается на месте за счет сцепления. В результате происходит сложная боковая деформация шины, изменяется форма и ориентация пятна контакта. В зоне деформации возникают поперечные касательные напряжения, которые в сумме и составляют боковую реакцию колеса. Она действует на колесо со стороны дороги. «По Ньютону» боковая реакция равна по величине боковой силе и направлена противоположно ей. Соответственно, сумма боковых реакций всех колес равна равнодействующей ЦС.

Явление бокового увода важно, как минимум, по двум причинам. Во-первых, уводом определяется способность колеса воспринимать боковую нагрузку. Эта способность появляется только тогда, когда колесо катится под углом к направлению движения. Во-вторых, установившиеся под действием боковой силы углы увода колес в конечном счете определяют кинематику движения автомобиля при маневрировании. В реальных условиях они могут достигать величины порядка 10°, что соизмеримо с углом поворота управляемых колес. Не случайно соотношение углов увода колес передней и задней оси характеризует поворачиваемость автомобиля. Колеса могут одновременно двигаться с разными углами увода, что создает сложную для анализа картину. Для ее упрощения рассматривают «велосипедную» схему. Пару колес одной оси представляют в виде одного колеса, расположенного на оси симметрии автомобиля, а угол его увода принимают равным среднему значению.

Определим граничные условия устойчивого движения автомобиля в интересующем нас случае скоростного поворота в свете концепции бокового увода. По мере роста боковой силы (ЦС) углы увода колес автомобиля возрастают. В свою очередь, это приводит к увеличению боковых реакций. В то время как для роста боковой силы теоретически нет предела, боковая реакция небеспредельна. Это видно из кривой зависимости боковой реакции от угла увода (график 1). На ней можно выделить три характерных участка. Участок 0b соответствует повороту с умеренной скоростью (или небольшой кривизной траектории), когда центробежные силы невелики. В этом случае боковая реакция и угол увода связаны прямо пропорциональной зависимостью.

Боковая реакция и боковая нагрузка Коэффициент сопротивления боковому уводу - важная характеристика шины, зависящая от большого количества ее технических и эксплуатационных параметров: конструкции, геометрии профиля, внутреннего давления, весовой нагрузки на колесо и др. Численно коэффициент равен тангенсу угла наклона отрезка 0b к оси абсцисс. Чем он выше, тем большую боковую реакцию способна генерировать шина при данном угле увода и тем большую боковую силу она может воспринимать. Увеличению коэффициента сопротивления боковому уводу способствуют, например, такие меры, как использование широких, низкопрофильных шин, повышение давления в шине и прижимной силы.

Когда углы увода становятся больше 2-4°, в пятне контакта начинается частичное проскальзывание участков шины и рост боковой реакции замедляется (участок bc). При дальнейшем увеличении угла увода (то есть боковой силы) проскальзывание растет. В точке с боковая реакция достигает критического значения и начинается полное скольжение контактной зоны колеса в боковом направлении (участок cd). Максимальная боковая реакция колеса определяется силой его сцепления с дорогой. Коэффициент сцепления в поперечном направлении (по сути - коэффициент трения скольжения) в наибольшей степени зависит от свойств шины и состояния дорожного покрытия; Rz - вертикальная реакция, равная весовой нагрузке на колесо.

Видно, что с уменьшением нагрузки на ось опасность ее заноса увеличивается. Нужно отметить, что занос одной из осей не всегда означает потерю устойчивости всего автомобиля. Он наиболее опасен, если возникающая в результате заноса оси сила инерции суммируется с ЦС. В этом случае неустойчивость развивается лавинообразно. Такая картина наблюдается при скольжении задней оси, в то время как занос передней оси гасится автоматически.

Боковая реакция и угол увода Если все сказанное до сих пор понятно, остается непонятным одно - какое отношение к этому имеет схема трансмиссии автомобиля. Действительно, полученное нами условие заноса оси не содержит величин, непосредственно зависящих от типа привода. Разве что вертикальная реакция оси Rzо, которая определяется развесовкой автомобиля. По идее, наиболее склонными к потере устойчивости под действием ЦС должны быть переднеприводные автомобили с их наименее нагруженной задней осью. И наоборот, задне- и полноприводные машины с их более равномерной развесовкой должны демонстрировать лучшую устойчивость. Но, во-первых, развесовка не всегда строго определяется типом привода. Во-вторых, она изменяется с загрузкой автомобиля. В-третьих, мы судим об устойчивости автомобиля в условиях действия только боковой силы. А это всего лишь частный случай динамичного маневра, соответствующий повороту с отпущенной педалью газа.

В повороте автомобиль испытывает значительно большее сопротивление движению, чем при езде по прямой. Если не принять контрмер, скорость автомобиля на вираже быстро падает. Причем падение тем больше, чем выше начальная скорость и меньше радиус траектории. Техника прохождения поворотов с потерей скорости устроит разве что чайника. Настоящие драйверы, поклонники героев сериала «Двойной форсаж», не смирятся с этим и обязательно «прибавят газу». Проанализируем, каковы возможные последствия с точки зрения ТДКМ.

Устойчивость - свойство автомобиля сохранять заданное направление движения и ориентацию продольной и вертикальной оси без управляющих действий со стороны водителя и независимо от скорости движения и внешних сил.
Управляемость - свойство, характеризующее способность автомобиля изменять параметры движения в соответствии с желаниями водителя. Управляемость автомобиля определяется как удобство управления продольной скоростью (разгон, торможение, поддержание постоянной скорости), а также удобство управления траекторией движения и ориентацией продольной оси автомобиля. Устойчивость и управляемость взаимосвязаны. Чем выше устойчивость, тем большие усилия требуются для управления.

Углы увода колёс передней и задней оси Прибавить газу - значит передать на колеса ведущей оси крутящий момент. При этом в зонах контакта колес с дорогой возникают продольные реакции - силы тяги. В этом случае ведущее колесо будет испытывать действие результирующей силы, которая равна геометрической сумме боковой и продольной реакций.

Анализ этого соотношения показывает, что продольные реакции увеличивают опасность заноса. Даже если прибавка газа не привела к увеличению боковой силы! Любопытно, что условие выполняется независимо от «знака» реакции. Что сила тяги, что сила торможения - эффект одинаков. Мало того, что выросла левая часть соотношения, так еще и правая уменьшилась. Коэффициент сцепления оказывается меньше ?y. Понять это проще, если принять полную силу сцепления шины с дорогой за константу. Чем большая часть сцепления используется для передачи продольных реакций, тем меньшая остается для реакций боковых. И наоборот. Получается, что с увеличением крутящего момента ведущие колеса приближаются к пределу по сцеплению в поперечном направлении.

Теория бокового увода дает этому факту более наукообразное объяснение. Если взглянуть на зависимость коэффициента сопротивления боковому уводу от продольной реакции, видно, что она имеет симметричный эллиптический характер. С увеличением продольной силы коэффициент сопротивления боковому уводу уменьшается (углы увода растут). Происходит это тем быстрее, чем ближе сила к своему максимальному значению, определяемому сцеплением в продольном направлении. Когда тяговые или тормозные силы достигают предела, возникает соответственно пробуксовка или блокировка колеса. В этот момент ky становится равным нулю, т.е. колесо полностью теряет способность воспринимать боковую нагрузку.

Здесь напрашивается первый серьезный аргумент в пользу полного привода. Ведь если крутящий момент передать не на одну ось, а перераспределить его между двумя осями, у каждой останется больший «запас» для передачи боковых сил. Это означает, что можно пройти поворот с большей скоростью без опасности срыва автомобиля в занос. Данное преимущество наиболее ощутимо на скользкой дороге, когда легко «переборщить» с газом, получить пробуксовку колес и, как результат, неуправляемую ось. Справедливости ради нужно сказать, что этот аргумент не самый неотразимый. Его «отражают» переднеприводные автомобили, у которых наиболее «опасная» задняя ось вообще не передает тяговых сил, да и тормозит менее эффективно. По этой причине они считаются самыми устойчивыми к заносу в условиях действия продольных сил. Машины же с симметричным полным приводом с этой точки зрения занимают промежуточное положение между передне- и заднеприводными. Вот если полный привод несимметричный, то, как говорится, возможны варианты. А если распределением крутящего момента между осями и отдельными колесами оперативно управлять, то открываются заманчивые перспективы для оптимизации устойчивости автомобиля в повороте.

Как упоминалось, соотношение углов увода задней и передней осей является одной из характеристик поворачиваемости. Поворачиваемость изначально зависит от распределения массы по осям автомобиля (чем задаются величины вертикальных нагрузок и боковых инерциальных сил) и коэффициентов сопротивления боковому уводу шин. Исходя из развесовки переднеприводные автомобили считают склонными к недостаточной поворачиваемости, заднеприводные - к избыточной, а машины с полным приводом - к нейтральной. Конечно, если в их конструкции не предусмотрено специальных мер для изменения этой ситуации. Таковыми могут быть, например, оптимизация компоновки или характеристик подвески. Поворачиваемость - свойство автомобиля изменять кинематические параметры поворота под действием боковых составляющих различных сил и возмущений при неизменном повороте управляемых колес. Соотношение углов увода колес передней и задней оси - один из признаков, определяющих поворачиваемость автомобиля. В зависимости от характера изменения траектории различают три типа поворачиваемости.
1. Нейтральная поворачиваемость. Увеличение скорости не приводит к изменению траектории.
2. Недостаточная поворачиваемость. С повышением скорости радиус траектории поворота увеличивается (кривизна траектории уменьшается).
3. Избыточная поворачиваемость. С ростом скорости радиус траектории поворота уменьшается.

Поворачивающий момент Принимая в расчет влияние продольных реакций на углы увода колес, нетрудно понять, что при маневрировании в тяговом режиме поворачиваемость автомобиля может изменяться. С ростом тяговых реакций углы увода ведущих колес растут. При этом у переднеприводных автомобилей увеличивается тенденция к недостаточной поворачиваемости, а у заднеприводных - к избыточной. Поворачиваемость автомобилей с симметричным полным приводом не меняется. Хорошо это или не очень - вопрос неоднозначный. Многие идеалом считают недостаточную поворачиваемость на входе в поворот, нейтральную - в его средней части и избыточную - на выходе. Но не в этом соль. Соль опять же в том, что, используя в конструкции полноприводного автомобиля трансмиссию с несимметричным распределением крутящего момента между осями, можно придать автомобилю желаемую управляемость в тяговом режиме. Более того, можно сделать трансмиссию регулируемой, чтобы оптимизировать поведение автомобиля на разных режимах движения и даже на разных фазах поворота.

Еще активнее воздействовать на поворачиваемость автомобиля можно с помощью полностью управляемой трансмиссии, которая также позволяет перераспределять крутящий момент между колесами каждой оси. Неравенство тяговых реакций на правом и левом колесе приводит к появлению дополнительного поворачивающего момента:
Mпов = (Rxп – R) B, где B - колея.

Если направление момента совпадает с направлением угловой скорости автомобиля, усиливается тенденция к избыточной поворачиваемости, если направления противоположны - к недостаточной. Такой прием эффективен для оперативной корректировки траектории.

Так что полный привод «подорожного» автомобиля не столько средство повышения его проходимости, сколько действенная мера улучшения устойчивости, управляемости и, в конечном счете, безопасности. © АБС авто