Секреты подвескостроения. Часть 3
Каждый раз, когда речь заходит об углах установки колес, приходится слышать фразы о том, что УУК призваны «компенсировать, снижать, повышать и улучшать». А все попытки объяснить, почему колеса устанавливаются так, а не иначе, и каким образом достигается «снижение и повышение», чаще всего оказываются поверхностными, не совсем верными или неверными вовсе.
Попробуем разобраться в этой непростой, но очень интересной теме с помощью АЛЕКСАНДРА СОЛНЦЕВА, профессора, заместителя заведующего кафедрой «Автомобили» МАДИ (ГТУ). Как говорится, еще раз и поподробнее…
Нужный вылет оси поворота (его называют плечом стабилизации) чаще всего получают за счет ее наклона в продольном направлении на угол, который и называют кастером. Наглядный пример такой конструкции – устройство передней вилки мотоцикла. Ее наклон придает управляемому колесу движущегося «полуавтомобиля» стабильность, что позволяет байкерам безнаказанно выполнять трюки, не держась за руль. Иногда наклон сочетают с небольшим смещением оси в ту или иную сторону от центра вращения колеса. У современных легковых автомобилей обычно кастер принимает положительные значения, которые не превышают десяти угловых градусов. При этом плечо стабилизации оказывается небольшим по отношению к размерам колеса. А уж плечо продольных сил (сопротивления качению или тяги) – и вовсе мизерным. Поэтому они просто не в состоянии стабилизировать массивное колесо автомобиля. Да это и не нужно – в момент действия дестабилизирующих боковых сил в пятне контакта автомобильного колеса с дорогой генерируются достаточно мощные поперечные (боковые) реакции, парирующие возмущение. Они возникают вследствие сложных процессов деформации шины, катящейся с боковым уводом. Значительная деформация эластичной шины в радиальном, касательном и тангенциальном направлениях и есть главная причина отличия механизма стабилизации автомобильного колеса от слабо или вовсе не деформируемых колес роялей и продуктовых тележек. В результате характер стабилизации меняется с «продольного» на «поперечный».
Дополнительная информация о боковом уводе, механизме образования боковой реакции и стабилизирующего момента приведена в справке. Стоит подчеркнуть, что в результате увода колеса под действием боковой силы (силового увода) равнодействующая элементарных боковых реакций всегда оказывается смещенной назад по ходу движения от центра контактной площадки. То есть стабилизирующий момент действует на колесо даже в том случае, когда след оси поворота совпадает с центром пятна контакта. Возникает вопрос: зачем вообще нужен кастер? Дело в том, что стабилизирующий момент (Мст) зависит от различных факторов (конструкции шины и давления в ней, нагрузки на колесо, сцепления с дорогой, величины продольных сил и т.д.) и не всегда оказывается достаточным для оптимальной стабилизации управляемых колес. На этот случай плечо стабилизации увеличивают продольным наклоном оси поворота, т.е. положительным кастером. Дестабилизирующие силы, действующие на колесо движущегося автомобиля, вызываются разными причинами, но, как правило, имеют одинаковый, инерциальный характер. Соответственно и боковые реакции, и стабилизирующие моменты с ростом скорости увеличиваются. Поэтому стабилизацию управляемых колес, в которую вносит весомый вклад кастер, называют скоростной. С увеличением скорости она «рулит» поведением управляемых колес. На малых скоростях влияние этого механизма становится несущественным. Забегая вперед, упомянем, что здесь работает стабилизация весовая, за которую отвечает наклон оси поворота колеса в поперечном направлении.
Установка оси поворота управляемых колес с положительным кастером полезна не только для их стабилизации. Положительный кастер устраняет опасность резкого изменения траектории и даже опрокидывания автомобиля под действием внезапной боковой силы. Она может быть следствием порыва ветра или движения поперек склона. Благодаря положительному кастеру автомобиль даже с отпущенным рулем плавно поворачивает «под ветер» или «под уклон». Увеличение продольного угла наклона в положительную сторону в общем случае имеет позитивные следствия, но приводит к росту усилия руления. Это значит, что возрастают нагрузки на усилитель и детали рулевого механизма. Поэтому выбор кастера – опять-таки компромисс, который у современных легковых автомобилей достигается при величинах порядка +2–6°. Меньшие значения, как правило, типичны для машин с большой нагрузкой на ось – чтобы чрезмерно не увеличивать усилие на руле. Своим нехарактерным подходом к выбору кастера известны конструкторы Mercedes-Benz. У большей доли «мерсов» продольный угол наклона оси поворота лежит в пределах +10–12°. Почему это так?
Дело в том, что таким образом конструкторы усиливают еще одно благоприятное следствие кастера. Продольный наклон оси поворота приводит к существенному изменению развала управляемых колес при их повороте. Механизм зависимости проще понять, если представить гипотетическую ситуацию, когда ось поворота колеса расположена горизонтально (кастер равен +90°). В этом случае «поворот» управляемого колеса полностью трансформируется в изменение его наклона относительно дорожного полотна, т.е. развала. Тенденция такова, что развал внешнего колеса в повороте становится более отрицательным, а внутреннего – более положительным. Как мы уже уяснили, это благотворно отражается на устойчивости автомобиля при маневрах. Чем больше кастер, тем больше изменение углов развала в повороте. Поэтому иногда (как и в случае с Mercedes-Benz) угол наклона оси поворота намеренно увеличивают. Чтобы при этом не превысить допустимое усилие на рулевом колесе (не увеличить чрезмерно плечо стабилизации), ось поворота смещают в продольном направлении так, что она проходит на некотором расстоянии позади оси вращения колеса.
Выходит, у всех современных автомобилей ось поворота наклонена в положительную сторону. В этом месте стоит вернуться назад, к критике представления об однозначной связи между развалом и схождением (см. № 5/2009). Если принять во внимание расположение плеча стабилизации, становится понятно, что вызванная развалом боковая сила (тяга развала), направленная от автомобиля, «работает» на увеличение схождения управляемых колес, а никак не наоборот. Действительно, положительный наклон оси поворота провоцирует возникновение моментов, стремящихся повернуть управляемые колеса в сторону увеличения схождения. Причем момент тяги развала – не единственный и не определяющий. Наибольшее воздействие на схождение оказывает момент одной из составляющих вертикальной реакции (Rz):
MRz = f(Rz, Sin τ…).
Эксперименты, объектом которых был автомобиль BMW 323i, показали, что при движении по прямой на каждое его управляемое колесо действует момент порядка 40 Нм.
Отсюда становится понятно, к чему может привести нарушение регулировки кастера. Разница этого параметра для левого и правого колес влияет на способность автомобиля держать прямолинейную траекторию. Если она превышает 1°, отличие моментов на управляемых колесах становится ощутимым и возникает боковой дрейф автомобиля в сторону колеса с меньшим кастером. Это в общем случае негативное явление иногда используют во благо и намеренно придают кастеру и углам развала управляемых колес разных бортов немного отличные значения. К примеру, автомобиль, предназначенный для правостороннего движения, из-за профилирования дорожного полотна испытывает дрейф по направлению к обочине. Чтобы его компенсировать, правое колесо устанавливают с чуть более отрицательным развалом и немного более положительным кастером.
Естественно, проделать эту процедуру можно лишь в том случае, если таковая возможность предусмотрена. В последнее время автопроизводители стараются избавить сервисменов от забот по регулировке развала, и тем более кастера. Эти параметры все чаще только контролируются. Согласно рекомендациям любая процедура контроля УУК должна предваряться проверкой уровня кузова. Особенно тщательно положение кузова контролируется при измерении кастера – этот параметр напрямую зависит от разницы его уровня впереди и сзади. Об этом стоит помнить апологетам «буратино-тюнинга», увлекающимся установкой проставок под заднюю часть кузова. Если внешний вид автомобиля, принимающего неприличную позу, – исключительно дело вкуса, то снижение и даже полная потеря скоростной стабилизации управляемых колес – вопрос безопасности, в том числе безопасности ни в чем не повинных «соучастников» дорожного движения. Заметного влияния на износ шин регулировка кастера не оказывает.
Любопытно, что лет тридцать и более тому назад в спецификациях на легковые автомобили можно было увидеть диаметрально противоположную картину – у большинства автомобилей кастер был отрицательным. Причина в том, что тогда был в моде «легкий руль». Поскольку усилитель рулевого управления был в диковинку, инженеры таким способом боролись за то, чтобы автомобиль на скорости рулился «одним пальцем». При этом достаточная скоростная стабилизация колес достигалась благодаря повсеместному применению шин диагональной конструкции. Они более подвержены деформациям, чем шины радиальные. Вследствие этого даже при отрицательном наклоне оси поворота продольный снос боковой реакции оказывался достаточным для создания стабилизирующего момента. Если на такой «ретромобиль» установить современные радиальные шины, он будет рыскать из стороны в сторону. Устранить проблему можно регулировкой кастера – нужно придать углу положительное значение.
SAI – второстепенный, но важный
Говоря об ориентации оси поворота управляемых колес, нельзя обойти вниманием угол поперечного наклона (SAI – Steering Axis Inclination). Этот параметр подвески иногда относят к группе вторичных. Тем не менее поперечный наклон оси оказывает существенное влияние на поведение автомобиля. Его контроль очень важен при диагностике подвески.
Оси поворота рояльного и мотоциклетного колес лежат в центральной плоскости вращения. На первый взгляд, это неплохой вариант. Почему бы и на автомобиле не использовать аналогичный принцип? Распространено мнение, что автомобилестроители не идут этим путем исключительно из-за конструктивной сложности. Действительно, при существующих схемах подвески проще разместить ось поворота колеса сбоку от него. И все же, если бы это сулило большие преимущества, решение наверняка нашлось бы. Например, такое, какое было реализовано французскими конструкторами на автомобиле Citroёn D в 1950-е годы и использовалось вплоть до середины 1970-х. Они расположили оба поворотных шарнира двухрычажной подвески внутри обода, в центральной плоскости качения колеса. Для этого пришлось переместить тормозные механизмы на главную передачу. Ось поворота колеса имела небольшой продольный угол наклона, а поперечный угол, плечо обкатки, а также развал были равны нулю. Что из этого получилось?
По отзывам, автомобиль на скорости уверенно форсировал лужи, грязь, снежную кашу и неровности дороги (даже если они попадались на пути одного из колес) без заметной реакции на руле и без отклонения от прямолинейного движения. Безразличие к неприятным для обычного автомобиля препятствиям объяснимо – любые силы, действующие в плоскости качения колеса, не оказывают никакого воздействия на рулевое управление ввиду отсутствия плеч относительно оси поворота. Несмотря на этот безусловный плюс, «ситроеновская» схема распространения не получила. И не столько из-за некоторого ухудшения эффективности торможения, вызванной изменением места размещения тормозов. Причина в том, что такой способ поворота управляемых колес не позволяет использовать эффект весовой стабилизации рулевого управления и обеспечить его приемлемую чувствительность.
Опять стабилизация? Да, опять. Ведь стабилизация, которая достигается за счет кастера, на то и «скоростная», что работает она только на достаточно высоких скоростях. При движении и маневрировании со скоростью пешехода «эффект рояля» пренебрежимо мал. В этом случае, чтобы заставить управляемые колеса сопротивляться отклонению от нейтрального положения и автоматически возвращаться к нему после прекращения действия сил, вызвавших отклонение, используют другой механизм – стабилизацию за счет веса автомобиля, приходящегося на управляемое колесо. Весовая стабилизация возникает главным образом благодаря наклону оси поворота в поперечном направлении. Почему «главным образом»? Потому что «неглавным образом» в весовую стабилизацию колес вносит вклад и кастер, но здесь его влияние второстепенно.
Механизм весовой стабилизации работает так. При повороте колеса его цапфа движется по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна оси поворота. Если ось вертикальна, цапфа перемещается горизонтально. Если ось наклонена, траектория цапфы отклоняется от горизонтали. У дуги, которую описывает цапфа, появляются вершина и нисходящие участки. Положение верхней точки дуги определяется направлением наклона оси поворота колеса. При поперечном наклоне вершина дуги соответствует нейтральному положению колеса. Значит, при отклонении колеса от нейтрали в любую сторону цапфа (а вместе с ней и колесо) будет стремиться опуститься ниже исходного уровня. Колесо работает как домкрат – приподнимает находящуюся над ним часть автомобиля. «Домкрату» противодействует сила, прямо зависящая от ряда параметров: веса поднятой части автомобиля, угла наклона оси, величины ее поперечного смещения и угла поворота колеса. Она пытается вернуть все в исходную, устойчивую позицию, т.е. повернуть руль в нейтральное положение. Получается, что благодаря поперечному наклону оси поворота автомобиль сам помогает водителю «отруливаться».
Кастер также вносит лепту в весовую стабилизацию рулевого управления. Если ось поворота колеса одновременно наклонена и в поперечном, и в продольном направлении, дуга, которую описывает колесная цапфа, изменяет ориентацию. Ее вершина смещается так, что цапфы обеих колес в нейтральной позиции оказываются на нисходящей части дуги. В результате при повороте руля одна из них движется по дуге вверх, другая – вниз. Итог – крен передней части кузова, увеличение загрузки одного из колес и усиление его весовой стабилизации. Этот эффект также используют для оптимизации положения кузова автомобиля в повороте. Механизм весовой стабилизации работает всегда. На неподвижном или медленно движущемся автомобиле он действует в одиночестве, с увеличением скорости ему все в большей степени аккомпанирует динамическая стабилизация.
Выбор величины SAI – поиск оптимума. С уменьшением поперечного угла эффективность весовой стабилизации снижается. Избыточный наклон приводит к чрезмерному усилию руления при маневрировании, сопровождающемся поворотом колес на большой угол, например при парковке. Определяя положение оси поворота в поперечной плоскости (в том числе и SAI), автомобилестроители наряду с весовой стабилизацией принимают в расчет условие обеспечения оптимального плеча обкатки. С этим параметром подвески также связано немало кривотолков. Например, бытует неверное представление, что оптимум для плеча обкатки – его отсутствие. Якобы с увеличением плеча возрастает усилие руления. На самом деле плечо обкатки не оказывает влияния на легкость рулевого управления. Действительно, при наличии плеча обкатки действующие на управляемые колеса продольные силы создают моменты, стремящиеся развернуть их вокруг оси поворота. Но в случае равенства сил на обоих колесах моменты оказываются «зеркальными», т.е. равными и противоположно направленными. Взаимно компенсируя друг друга, они не оказывают воздействия на рулевое колесо. Однако моменты нагружают детали рулевой трапеции растягивающими или сжимающими (в зависимости от расположения плеча обкатки) усилиями. Чтобы ограничить эти нагрузки, плечо обкатки не должно быть излишне большим. Тем не менее в большинстве случаев «его не может не быть».
Плечо обкатки – один из параметров, который влияет на чувствительность рулевого управления. Благодаря ему руль «сигнализирует» водителю о нарушении равенства продольных реакций на управляемых колесах, которое может быть следствием проезда препятствий и неровностей дороги, неравного распределения тормозных сил между правым и левым колесом и т.д. В этих случаях внезапно возникающий дисбаланс моментов продольных сил передается через рулевое колесо на руки водителя. Главное, чтобы «сигнал» не был чрезмерным и не снижал комфортность и безопасность вождения. Это важное условие учитывается при проектировании автомобиля и нередко нарушается (чаще – неосознанно) при его эксплуатации. Дело в том, что на величину плеча обкатки ощутимо влияет конструкция колеса. Модное увлечение широкими колесами с низкопрофильными шинами, а также установка дисков с нештатным вылетом могут вызвать критическое изменение чувствительности рулевого управления.
Плечо обкатки может быть как положительным, так и отрицательным. Обычно отрицательное плечо обкатки применяют на автомобилях с диагональной двухконтурной тормозной системой. Такая мера позволяет стабилизировать поведение автомобиля в чрезвычайной ситуации – при отказе или снижении эффективности одного из контуров. Дисбаланс тормозных сил приводит к появлению момента, стремящегося развернуть автомобиль относительно центра масс. При отрицательном плече обкатки одновременно с этим неравенство сил торможения вызывает поворот управляемых колес в сторону уменьшения разворота автомобиля. Аналогичный механизм работает при внезапном увеличении продольной реакции на одном из управляемых колес. Например, при проколе шины, вызывающем рост силы сопротивления качению. Благодаря отрицательному плечу обкатки колеса и в этом случае поворачиваются так, что парируют самопроизвольный разворот автомобиля.
Плечо обкатки обычно выбирают в пределах плюс 50 минус 20 мм. У некоторых автомобилей с независимой подвеской передних колес в негруженом состоянии оно может достигать 60–80 мм. При положительном плече обкатки SAI в большинстве случаев составляет 6–12°, при отрицательном – 11–19°. Как видно, отрицательные значения плеча получают за счет увеличения SAI. Это позволяет достичь желаемого результата без значительного уменьшения поперечного смещения оси и обеспечить приемлемый стабилизирующий момент.
Поперечный наклон оси поворота управляемых колес, как мы выяснили, влияет на стабилизацию и чувствительность рулевого управления. Поэтому SAI особенно тщательно проверяют при наличии проблем с этими характеристиками автомобиля. Поперечный угол наклона также рекомендуется контролировать в случае бокового дрейфа автомобиля, который не устраняется регулировкой кастера и развала. Его причиной может быть ощутимая (более 1°) разница SAI правого и левого колес. При контроле SAI нужно иметь в виду, что этот параметр зависит от угла развала колеса (с уменьшением развала SAI увеличивается, и наоборот), поэтому его проверку обязательно предваряют корректировкой развала. Отклонение SAI от нормы свидетельствует о смещении координат одной или обеих точек подвески, задающих положение оси поворота. Причиной смещения может быть, например, деформация поворотной цапфы, чашки крепления амортизатора, рычага, переднего подрамника или неправильная регулировка последнего, если таковая предусмотрена. Уточнить причину можно, одновременно анализируя три параметра подвески передних колес: развал, SAI и включенный угол.
Тема углов установки колес настолько интересная, насколько и объемная. Ее, как и ремонт квартиры, нельзя закончить – можно лишь прервать волевым усилием. Что мы и делаем. В заключение остается высказать несколько соображений. Приступая к рассмотрению основных УУК, мы рассчитывали выявить однозначные закономерности, принципы или правила, которыми руководствуются «подвескостроители» при выборе параметров установки колес. К сожалению, наши расчеты не оправдались. Оказалось, что правил не так много, да и те, что есть, изобилуют большим количеством исключений, что снижает значимость самих правил. Сегодня не существует никаких математических зависимостей или компьютерных алгоритмов, позволяющих заложить исходные данные (конструктивные параметры автомобиля и подвески) и на выходе получить искомый результат – величины схождения, развала, кастера и т.д. Теперь понятно, чем вызвана сложность математического определения УУК. Параметры установки колеса значительно меняются при изменении режима движения и развесовки автомобиля. Изменение одного параметра вызывает одновременное изменение ряда других. Каждый параметр одновременно влияет на несколько характеристик автомобиля. Улучшение одной из них зачастую сопровождается ухудшением другой. Какой характеристике отдать предпочтение, что выбрать в качестве критерия оптимизации? Тем более любопытно, как в таком случае определяют УУК разработчики подвески? Неужто методом «тыка»?
Выбор УУК – комплексная задача, нацеленная на поиск оптимума и решаемая методом последовательных приближений. Решение начинается с кинематического расчета положения колес для различных условий движения. Определение поведения колеса в подвесках относительно простой конструкции (двухрычажной или МакФерсон) трудностей не вызывает. Расчет многозвенных подвесок выполняют с использованием методов компьютерного моделирования. Далее анализируют, как изменение ориентации колеса сказывается на пятне контакта и какие это будет иметь последствия для критических характеристик автомобиля: устойчивости, управляемости, интенсивности износа шин и т.д. Варьируя кинематику подвески, «на бумаге» добиваются приемлемого результата, который становится отправной точкой для самого важного этапа – экспериментальной доводки.
В ходе испытаний выполняют большое количество специальных тестов (движение по прямой, по кругу, в повороте, с «переставкой» и т.п.), регистрируют объективные показатели (угол поворота и усилие на руле, максимальную скорость маневра без отрыва колеса, температуру разных зон протектора и т.п.) и субъективные ощущения тест-пилотов. Зачастую эксперименты начисто перечеркивают теорию и приносят парадоксальные с теоретической точки зрения результаты. Это наводит на мысль, что оптимальный комплекс УУК – своего рода гармония, которую невозможно «поверить алгеброй».
