Введение
Термины динамики автомобиля
Склонность к недостаточной и избыточной поворачиваемости – это термины динамики автомобиля, используемые для описания чувствительности автомобиля к изменениям угла поворота рулевого колеса, связанным с изменениями поперечного ускорения. Эта чувствительность определяется для ровной дороги при заданных устойчивых условиях эксплуатации Обществом автомобильных инженеров (SAE) в документе J670 и Международной организацией по стандартизации (ISO) в документе 8855. Является ли автомобиль склонным к недостаточной или избыточной поворачиваемости, зависит от скорости изменения угла недостаточной поворачиваемости. Угол недостаточной поворачиваемости – это величина дополнительного рулевого управления (на рулевых колесах, а не на рулевом колесе в кабине), которое необходимо приложить при любом заданном устойчивом маневре сверх угла поворота рулевого колеса по Акерману. Угол поворота рулевого колеса по Акерману – это угол поворота, при котором автомобиль двигался бы по дуге, когда поперечное ускорение не требуется (при пренебрежимо малой скорости). Градиент недостаточной поворачиваемости (U) – это скорость изменения угла недостаточной поворачиваемости относительно поперечного ускорения на ровной дороге при заданных устойчивых условиях эксплуатации. Автомобиль имеет склонность к недостаточной поворачиваемости, если градиент недостаточной поворачиваемости положителен, к избыточной поворачиваемости, если градиент недостаточной поворачиваемости отрицателен, и к нейтральной поворачиваемости, если градиент недостаточной поворачиваемости равен нулю. Автомобильные энтузиасты и поклонники автоспорта часто используют эту терминологию в неформальной обстановке в журналах и блогах для описания реакции автомобиля на рулевое управление в различных маневрах.
Understeer and oversteer are vehicle dynamics terms used to describe the sensitivity of the vehicle to changes in steering angle associated with changes in lateral acceleration. This sensitivity is defined for a level road for a given steady state operating condition by the Society of Automotive Engineers (SAE) in document J670 and by the International Organization for Standardization (ISO) in document 8855. Whether the vehicle is understeer or oversteer depends on the rate of change of the understeer angle. The Understeer Angle is the amount of additional steering (at the road wheels, not the hand wheel) that must be added in any given steady state maneuver beyond the Ackermann steer angle. The Ackermann Steer Angle is the steer angle at which the vehicle would travel about a curve when there is no lateral acceleration required (at negligibly low speed). The Understeer Gradient (U) is the rate of change of the understeer angle with respect to lateral acceleration on a level road for a given steady state operating condition. The vehicle is Understeer if the understeer gradient is positive, Oversteer if the understeer gradient is negative, and Neutral steer if the understeer gradient is zero. Car and motorsport enthusiasts often use the terminology informally in magazines and blogs to describe vehicle response to steering in a variety of manoueuvres.
Испытание для определения градиента подворота
Для определения градиента склонности к сносу можно использовать несколько тестов: постоянный радиус (повторение тестов на разных скоростях), постоянная скорость (повторение тестов с разными углами поворота руля) или постоянный угол поворота руля (повторение тестов на разных скоростях). Официальные описания этих трех видов тестирования приведены в стандартах ISO. Гиллеспи подробно рассматривает два метода измерения. Результаты зависят от типа теста, поэтому указания значения в deg/g недостаточно; также необходимо указывать тип процедуры, использованной для измерения градиента. Автомобили по своей природе являются нелинейными системами, и нормально, что значение U изменяется в диапазоне проводимых тестов. Автомобиль может проявлять склонность к сносу в одних условиях и к заносу в других. Поэтому при описании характеристик склонности к сносу/заносу необходимо указывать скорость и поперечное ускорение.
Вклад в ухудшение наклона подворота
Многие характеристики автомобиля влияют на градиент недостаточной поворачиваемости, включая жесткость шин в повороте, силу бокового увода, соответствие боковой силы рулевому углу, самоцентрирующий момент, перераспределение веса по сторонам и упругость в системе рулевого управления. Распределение веса влияет на нормальную силу, действующую на каждую шину, и, следовательно, на её сцепление с дорогой. Вклад каждого из этих факторов можно определить аналитически или экспериментально с помощью анализа Бундорфа.
В отличие от ограничения обработки поведения
Необходимо проявлять большую осторожность, чтобы не смешивать поведение при недостаточной/избыточной поворачиваемости с предельным поведением автомобиля. Физика этих явлений существенно различается. Они имеют разные последствия для управляемости и разные причины. Недостаточная/избыточная поворачиваемость связана с эффектами деформации шин из-за проскальзывания и углов установки колес при увеличении уровня поперечного ускорения. Предельное поведение, напротив, связано с пределом сцепления, когда первыми достигают насыщения либо передние, либо задние колеса. Для описания предельного поведения лучше использовать термины, принятые у гонщиков: "нехватка поворачиваемости (занос носа)" и "избыточная поворачиваемость (срыв задней оси)", чтобы избежать путаницы в этих понятиях.
Предельные характеристики управления
При этом, как правило, при поворотах передние шины достигают предела сцепления (не могут создавать дополнительную тяговую силу) раньше задних. Поскольку передние шины не могут обеспечить дополнительную боковую силу, а задние шины могут, передняя часть автомобиля должна следовать по траектории с большим радиусом, чем задняя. И наоборот, если задние шины достигают предела сцепления раньше передних. Передние шины будут продолжать обеспечивать боковую силу, необходимую для удержания передней части автомобиля на желаемой траектории. Задние шины должны следовать по траектории с большим радиусом. В результате задние шины будут отклоняться наружу относительно передней части автомобиля. Это поворачивает автомобиль внутрь поворота. Если угол поворота рулевого колеса не меняется (то есть рулевое колесо остается в том же положении), то передние колеса будут описывать все меньший и меньший круг, в то время как задние колеса будут продолжать вращаться вокруг передней части автомобиля. Именно это происходит, когда автомобиль заносит. Автомобиль, склонный к срыву в занос, иногда называют "с задней тягой", по аналогии с тем, как собака виляет хвостом от радости, а распространенной проблемой является рыскание. В реальных условиях вождения (где скорость и радиус поворота могут постоянно меняться) на распределение сцепления и склонность к срыву влияют несколько дополнительных факторов. Их можно разделить на факторы, влияющие на распределение веса по шинам, и дополнительные силы трения, действующие на каждую шину. Нормальное (вертикальное) распределение нагрузки на автомобиль в установившемся режиме влияет на управляемость. Если центр масс смещен вперед, то тенденция к срыву в занос усиливается из-за чувствительности шин к нагрузке. При смещении центра масс назад тенденция к срыву в занос уменьшается. Продольный перенос нагрузки пропорционален величине продольного ускорения и высоте центра масс. При торможении дополнительная нормальная нагрузка прикладывается к передним колесам, а с задних шин снимается равная по величине нормальная нагрузка. Нормальная нагрузка на шину и коэффициент трения определяют максимальную тяговую силу, которую можно создать. При ускорении часть нормальной нагрузки переносится с передних колес на задние, изменяя максимальное сцепление, которое можно достичь на каждом конце автомобиля. В крайних случаях передние шины могут полностью оторваться от земли, что означает, что любое рулевое воздействие не может быть передано на дорогу. Шины передают на дорогу боковые и продольные силы. Общая тяговая сила является векторной суммой боковых и продольных сил. Если результирующая требуемая тяговая сила в любых условиях эксплуатации превышает доступную тяговую силу шины (функцию нормальной силы и коэффициента трения), то шина достигает предела сцепления. Хотя распределение веса и геометрия подвески оказывают наибольшее влияние на измеренный градиент срыва в занос в установившемся режиме, распределение мощности, тормозной баланс и перераспределение веса между передней и задней осями также влияют на то, какие колеса первыми потеряют сцепление во многих реальных сценариях.
Предельные условия
Когда автомобиль с недостаточной поворачиваемостью достигает предела сцепления шин, когда дальнейшее увеличение поперечного ускорения невозможно, автомобиль отклоняется от намеченной траектории, следуя по дуге большего радиуса. Несмотря на то, что автомобиль не может увеличить поперечное ускорение, он остается динамически стабильным. Когда автомобиль с избыточной поворачиваемостью достигает предела сцепления шин, он становится динамически нестабильным и склонен к заносу. Хотя автомобиль нестабилен в разомкнутом контуре управления, опытный водитель может сохранить контроль даже после достижения точки нестабильности, используя встречное руление и/или правильное управление дроссельной заслонкой или даже тормозами; это намеренно делается в дрифте. Если заднеприводный автомобиль обладает достаточной мощностью для пробуксовки задних колес, он может спровоцировать занос в любой момент, передавая на колеса достаточно мощности двигателя, чтобы они начали вращаться. После потери сцепления они относительно свободно смещаются вбок. При торможении основная работа обычно выполняется передними тормозами. Если этот перенос веса на переднюю ось слишком велик, передние шины могут потерять сцепление, вызывая недостаточную поворачиваемость.
Сопутствующие меры
Градиент недостаточной поворачиваемости – один из основных показателей, характеризующих поведение автомобиля в устойчивом повороте. Он связан с другими характеристиками, такими как характеристическая скорость (скорость автомобиля с недостаточной поворачиваемостью, при которой угол поворота руля, необходимый для прохождения поворота, вдвое превышает угол Акермана), коэффициент усиления бокового ускорения (g/градус), коэффициент усиления угловой скорости (1/с) и критическая скорость (скорость, при которой автомобиль с избыточной поворачиваемостью имеет бесконечное значение коэффициента усиления бокового ускорения).