Устойчивость автомобилей

Устойчивость автомобилей

Введение

В своей повседневной деятельности внутренние войска сталкиваются с многими видами транспортировки различных видов материальных средств, грузов, имеющих большие массу и габариты, с перевозкой личного состава.

Перевозка каждого вида материальных средств имеет свои специфические особенности. В транспортных средствах с боеприпасами запрещается перевозить личный состав, а также другие воинские грузы. Не допускается перевозка продовольственных грузов вместе с другими видами материальных средств, которые могут оказать влияние на качество и сохранность продовольствия. Наиболее часто приходится совмещать при перевозках продовольствие и военно-техническое имущество. В данном случае целесообразным становится размещение одного вида грузов на платформах (в фургонах) тягача, а другого - на платформах прицепа. Причем из соображений устойчивости движения автопоезда необходимо полностью загружать в первую очередь тягач.

Анализ укомплектованности подразделений и частей материального обеспечения войск прицепным составом показывает его весомую долю в общей численности автомобильной техники данных воинских формирований. Основными показателями работы автомобильных войск при подвозе материальных средств являются количество (масса) доставленного груза, расстояние и время. Эффективность применения автомобильных войск определяется полнотой использования грузоподъемности его транспортных средств и величиной их пробега. В целях повышения эффективности и полноты использования грузоподъемности транспортных средств считаются наиболее радикальными способы укрупнения грузовых единиц путем пакетирования и применения универсальных малотоннажных, среднетоннажных и крупнотоннажных контейнеров. Однако пакетированные грузы и контейнеры должны перегружаться при перевозках только подъемно-транспортными машинами и механизмами. Поэтому при отсутствии или недостаточном количестве подъемно-транспортных средств хотя бы в одном звене тыла пакеты приходится расформировывать и в дальнейшем доставлять грузы в тарно-штучной упаковке.

1. Устойчивость автомобилей

Под устойчивостью автопоезда понимается способность его звеньев сохранять заданное водителем положение относительно опорной поверхности дороги и направление движения при воздействии внешних сил. Для автопоездов характерны три вида неустойчивости:

-       занос отдельных осей или звеньев автопоезда;

-       боковое опрокидывание тягача или прицепного звена, а так же рыскание АТС;

-       динамическая поперечная неустойчивость (виляния) прицепа.

В настоящее время армейские автомобили имеют достаточный запас мощности для реализации высоких скоростей движения на хороших, ровных дорогах. Однако на разбитых дорогах и местности их скоростное перемещение, в условиях частого маневрирования, сдерживается опасностью чрезмерного бокового наклона и опрокидывания. Боковое опрокидывание, в свою очередь, является обычно тяжелым дорожно-транспортным происшествием, связанным с нанесением ущерба здоровью людей и выходом из строя установленных на шасси средств вооружения и военной техники (ВВТ), а также приводит к утрате и порче ВТИ.

Практическими путями повышения боковой устойчивости армейских машин могут быть:

увеличение колеи (В);

уменьшение высоты (Н) центра масс;

- уменьшение угла крена ().

Возможности реализации этих путей на практике рассмотрим более подробно, применительно к двум группам автомобилей (полной массой до 7-7,5 т), для которых вопросы обеспечения боковой устойчивости наиболее актуальны:

многоцелевые автомобили традиционного типа (с максимальной скоростью до 90-100 км/ч);

высокомобильные (быстроходные) автомобили с максимальной скоростью свыше 100 км/ч.

Проблема обеспечения для автопоездов, буксирующих АМН или ВГМ с неблокируемой подвеской, усугубляется влиянием упругости двух подвесок - тягача и АТС. Следует учитывать приведенную жесткость подвесок и соответственно определять высоту и угол крена, которые явно увеличиваются.

.1 Многоцелевые автомобили с максимальной скоростью движения до 90-100 км/ч

К этой группе относятся автомобили легкого и среднего класса (УАЗ, ГАЗ и более легкие, применительно к отечественному парку машин), обладающие средней энерговооруженностью.

Как уже указывалось, для автомобилей этого класса реальным способом повышения их поперечной боковой устойчивости является увеличение колеи. Однако следует иметь в виду, что увеличение колеи для повышения статической устойчивости обычно связано с увеличением металлоемкости ходовой части, поскольку при этом увеличивается масса ведущих мостов. Поэтому при необходимости увеличения колеи автомобиля прежде всего следует оценить реальные конструктивные способы достижения цели. Иногда имеются возможности для получения соответствующего эффекта относительно простыми и экономическими способами.

В 1959 г., например, перед армейскими специалистами остро встал вопрос о повышении поперечной боковой устойчивости автомобиля ГАЗ-63 в связи с высоким центром масс. Для решения проблемы специалистами в/ч 51548 (на базе которой впоследствии был создан НИИИ-21) был оценен и предложен способ увеличения колеи путем установки колес на ступицах иным способом - не так, как при заводской сборке. Было учтено, что монтажная стенка колеса (прикрепляемая гайками к ступице) смещена относительно средней плоскости симметрии шины (колесо в одну сторону является выпуклым). При заводской сборке колесо крепилось к ступице стороной, обратной выпуклости. Было предложено крепить колеса на ступице так, чтобы они соприкасались со ступицей выпуклой стороной (для этого их надо было развернуть при установке на 180^о в горизонтальной плоскости, рисунок 1).

Рисунок 1 - Автомобиль ГАЗ-63 с колесами, установленными вогнутой стороной дисков наружу для повышения поперечной устойчивости

При этом колея передних колес автомобиля была увеличена с 1588 мм до 1890 мм (на 19 %), а задних - с 1600 мм до 1900 мм (на 18,75 %). Соответствующие эксперименты на стенде опрокидывания (на автомобилях без груза) показали, что при серийном исполнении автомобиля с колеей 1588 мм и 1600 мм угол поперечной статической устойчивости составил 39,5^о, а при экспериментальной установке колес автомобиля с колеей 1890 мм и 1900 мм он увеличился до 45^о. Общее увеличение угла поперечной статической устойчивости составило 13,9 %, а абсолютное значение угла приблизилось к уровню, зафиксированному на автомобиле ГАЗ-51 при одинаковом расположении и массе однородного груза.

Увеличение статической устойчивости АТС путем уширения колеи может быть достигнуто на армейских автомобилях установкой сдвоенных задних колес. Такой конструктивный способ увеличения статической устойчивости широко применяется на зарубежных армейских автомобилях с различным числом осей.

Применение в армии подобных машин наряду с некоторым ограничением проходимости позволяет получить ряд преимуществ: увеличение грузоподъемности в сравнении с образцом, имеющим однорядную бортовую установку всех колес, снижение погрузочной высоты из-за использования шин меньшего диаметра и повышение статической устойчивости.

Следует также иметь в виду, что некоторые фирмы для одной и той же базовой модели предусматривают модификации как с однорядной, так и двухрядной установкой задних колес. Фирма Mercedes-Benz, например, поставляет образцы Actros (8х8) также с однорядной бортовой установкой колес.

С учетом некоторого снижения проходимости при использовании на грунтовых дорогах автомобили с двухрядной установкой задних колес широко используются за рубежом в качестве подвижных средств тылового и технического обеспечения. На автомобилях-шасси этого типа размещаются автотопливозаправщики и цистерны для топлива, подвижные мастерские, цистерны для воды, платформы для перевозки груза, контейнеры для размещения систем управления и связи, съемные платформы с оборудованием для их погрузки и выгрузки. Значительное их число используется в качестве седельных тягачей для буксирования полуприцепов.

На автомобиле ГАЗ-63, имевшем, как известно, однорядную установку шин (10.00-20, со статическим радиусом r_ст=498 мм) колея передних коле составляла 1588 мм, а задних 1600 мм.

На автомобиле ГАЗ-51 (шины 7.50-20, r_ст=445 мм) колея передних колес составляла 1585 мм, а колея задних колес 1650 мм.

Экспериментально было установлено, что переход к неполноприводному автомобилю с двухрядной установкой задних колес позволил на 7-13 % уменьшить высоту центра масс автомобиля и на 5-14 % (в зависимости от высоты размещенного груза) увеличить угол его поперечной статической устойчивости. Главными факторами, позволившими

Рисунок 2 - Автомобиль Mercedes-Benz Actros (8х8) с двухрядными колесами для повышения поперечной устойчивости, грузоподъемностью до 18 т.

добиться указанных результатов, были увеличение колеи и уменьшение статического радиуса на автомобиле ГАЗ-51 по сравнению с ГАЗ-63.

В тех случаях, когда использование двухрядной установки колес неприемлемо по условию ухудшения проходимости, необходимо создавать или проектировать автомобили с увеличенной колеей.

Этот путь повышения статической и динамической боковой устойчивости автомобилей с однорядной установкой всех колес (с односкатной ошиновкой) особенно перспективен для автомобилей относительно малой грузоподъемности (до 2-3 т), используемых для монтажа вооружения и военной техники.

Таблица 1 - Зарубежные армейские автомобили с двухрядной установкой задних колес

Дело в том, что конструктивное увеличение колеи ограничивается, в конечном счете, габаритной шириной автомобиля (колеса не могут выходить за пределы нормативной габаритной ширины АТС, которая составляет для большинства стран 2,55 м). Увеличение габаритной ширины допускается только для специальных АТС, в том числе для автопоездов, перевозящих танки. В мирное время применение таких автопоездов-тяжеловозов связано со снижением скорости других автотранспортных средств и, в целом, отрицательно сказывается на эффективности перевозок, как грузов, так и пассажиров.

В то же время для автомобилей малого класса грузоподъемности, габаритная ширина которых значительно меньше установленного норматива (2,55 м), соответствующие резервы увеличения колеи несомненно имеются.

В таблице 2 приведены некоторые параметры армейских зарубежных автомобилей, связанные с боковой устойчивостью, влияющие на боковую устойчивость или зависящие от нее. Грузоподъемность этих автомобилей не превышает 3 т, а полная масса наиболее тяжелого образца составляет 5,8 т; для остальных она составляет не более 5т. Из таблицы видно, что колея только двух автомобилей (американского HMMWV и испанского URO Vamtac) превышает 1,8 м. Для всех остальных образцов она не более 1,714 м. Для испанского автомобиля (URO Vamtac) увеличение колеи до 1,862 м оправдано относительно большой его полной массой (5 т), а также наибольшей среди сравниваемых машин максимальной скоростью движения, составляющей 130 км/ч. В то же время американский образец HMMWV имеет среднее значение максимальной скорости в пределах рассматриваемой группы, но колея у него также достаточно велика - 1,82м.

С учетом этого можно считать, что американский образец обладает наибольшим запасом устойчивости и наиболее полно приспособлен к движению по неровным дорогам и местности с точки зрения поперечной устойчивости. Об этом свидетельствует приведенный в таблице 3 показатель - отношение колеи к полной массе , которым можно сравнительно просто оценить уровень поперечной статической устойчивости АТС. Как видно из таблицы 5, американский HMMWV имеет наибольшее значение этого показателя в сравнении с другими образцами.

В то же время HMMWV имеет самую большую относительную величину снаряженной массы. Отношение грузоподъемности к полной массе  у этого автомобиля - около 0,3. Это означает, что уширение колеи для него привело и к отрицательному результату: увеличению снаряженной массы. Для сравнения - у автомобиля Duro этот коэффициент составляет 0,51 и является наибольшим в группе.

Таблица 2 - Параметры зарубежных армейских автомобилей, влияющие на поперечную устойчивость

Из армейских отечественных автомобилей в указанную (таблица 6) группу входит автомобиль ГАЗ-66-11 грузоподъемностью 2 т, полной массой 5,77т, колея передних колес 1,8 м, задних 1,75 м. Отношение колеи к полной массе для этого автомобиля составляет 0,31 м/т, то есть находится на уровне машины Duro, достаточно низком. Однако максимальная скорость автомобиля Duro составляет 110 км/ч, а для ГАЗ-66-11 - только 90 км/ч, так что для существующего конструктивного исполнения отечественного образца уровень его статической устойчивости можно считать достаточным.

В 2002 г. приказом министра обороны РФ №346 от 28 августа принят на снабжение новый армейский автомобиль ГАЗ-3308, несколько большей полной массы, составляющей 6,1 т - без лебедки и 6,26 т - с лебедкой. Передняя колея этого автомобилям составляет 1,82 м, задняя - 1,77 м, что несколько лучше, чем у ГАЗ-66-11.

Однако, максимальная скорость движения новой машины осталась прежней, а отношение колеи к полной массе незначительно уменьшилось (до 0,29), так что уровень ее устойчивости можно считать таким же, как у ГАЗ-66-11.

Таким образом, в результате оценки уровня статической боковой устойчивости зарубежных и отечественных армейских автомобилей полной массой до 5,5-6 т установлено:

. В зависимости от предполагаемого назначения машин использование упомянутого фактора для улучшения устойчивости может идти двумя путями:

введением двухрядной установки шин на задних колесах;

увеличением колеи как передних, так и задних колес.

. Первый путь означает изменение эффективной колеи только задних колес, является относительно простым и обеспечивает к тому же увеличение грузоподъемности машины и снижение ее погрузочной высоты. Недостатком этого способа является снижение проходимости машины на грунтах с низкой несущей способностью. Вследствие этого указанный способ применим для автомобилей тылового и технического обеспечения.

. В случае предъявления высоких требований по проходимости предполагаемого к разработке образца, его поперечная устойчивость может быть обеспечена увеличением колеи, как передних, так и задних колес, установленных в один бортовой ряд (односкатная ошиновка).

. Известным фактором, ограничивающим повышение поперечной устойчивости подобным способом, является принятый норматив габаритной ширины (2,5 м). Однако, как установлено, существующие модели зарубежных и отечественных автомобилей полной массой до 5,5-6 т имеют габаритную ширину в пределах 1,8-2,2 м и, следовательно, обладают некоторым резервом для увеличения колеи, не выходя за указанный нормативный габарит по ширине.

. Применение указанного способа повышения поперечной устойчивости автомобиля требует существенных изменений его конструкции и связано с увеличением снаряженной массы автомобиля. Однако, по опыту создания зарубежных образцов (автомобиль HMMWV, США и URO Vamtac, Испания), увеличение колеи позволяет реализовать высокие значения удельной мощности и может привести к значительному повышению боевой эффективности машин за счет увеличения средних скоростей движения, расширения возможностей маневрирования и снижения уязвимости от боевых повреждений.

.2 Высокомобильные тактические автомобили (ВМБТА)

Появление армейских автомобилей этой группы в современных армиях связано с их тактическим превосходством над остальными автомобилями в условиях современного боя. Главное преимущество подобных автомобилей - способность быстрой доставки вооружения для внезапного нанесения удара по объектам или сосредоточенным группам войск противника, а также способность быстрого ухода от ответного удара.

Автомобили этого типа находят применение в армии в качестве средств разведки, боевого охранения, подавления сосредоточенных групп противника перед началом наступления, а также в контртеррористических операциях локальных войн.

К отечественным автомобилям этого типа относятся высокомобильные автомобили семейств «Водник» и «Тигр», параметры которых приведены в таблице 6. Эти автомобили отличаются высокой удельной мощностью (21 л.с./т) и соответственно высокими, по данным испытаний, значениями максимальной скорости. Для автомобилей «Водник» эти скорости составляют 102-122 км/ч, а для автомобиля ГАЗ-233001 «Тигр» - около 130 км/ч.

Опыт их применения показывает, что для них необходимы более высокие требования в части обеспечения боковой устойчивости, а значение угла поперечной статической устойчивости должно составлять не менее 38-40^о.

Для достижения значений  ³ 38^о необходимы новые подходы к конструктивному исполнению подвески для уменьшения крена, а также к уменьшению высоты центра масс. Эффективным мероприятием в этом направлении может быть также увеличение колеи.

Работы, проведенные в этом направлении 21 НИИИ (АТ) МО РФ, ОАО «ГАЗ» и ООО «Техносервис-Н» при разработке автомобилей «Водник», показали, что увеличение статической устойчивости автомобилей этого типа до уровня 40-45^о - то есть, на 21-36% больше по сравнению с нормативом (33^о), заданным для многоцелевых автомобилей - оказалось оправданным и достижимым.

В таблице 6 показано, что увеличение колеи до 2230 мм, применение независимой подвески (рисунок 3) и снижение центра масс до величины не более 1,212 м в снаряженном состоянии позволило получить углы статической устойчивости  > 40^о в снаряженном состоянии и > 45^о - с полной нагрузкой.

Независимая подвеска, как установлено, при увеличенной колее машины позволяет разместить груз (оборудование, вооружение) между колес автомобиля. Кроме того, кинематика независимой подвески, примененной на автомобилях «Водник», не приводит к увеличению высоты центра масс при больших кренах машины на поперечном уклоне, при повороте.

Как видно из таблицы 3, на автомобилях ГАЗ-39371 семейства «Водник» это приводит к тому, что угол поперечной статической устойчивости машин с увеличением нагрузки увеличивается и при полной массе достигает 45-46^о.

Таким образом, с увеличением центробежной боковой силы, действующей на автомобиль полной массы, увеличивается и момент сопротивления его опрокидыванию, что является весьма важным для высокомобильных машин.

На автомобилях многоцелевого назначения с традиционной рессорной подвеской всегда имеет место противоположная закономерность: с увеличением массы колесной машины ее статическая устойчивость уменьшается.

Эта традиционная закономерность, заключающаяся в уменьшении поперечной статической устойчивости с увеличением массы машины проявилась и на автомобилях «Тигр», ГАЗ-233004 и ГАЗ-233001 в связи с тем, что для уменьшения массы и габаритной ширины машины, ее колея составляет 1,840 м (на 17,5% меньше, чем у автомобилей «Водник»).

Уменьшение массы, достигнутое разработчиком на автомобилях «Тигр», при почти той же в сравнении с автомобилями «Водник» мощности двигателя, привело к тому, что на образцах семейства «Тигр» удельная мощность увеличилась от 21,33-23,33 л.с./т, достигнутых на машинах «Водник», до 29-31,7 л.с./т, полученных на автомобилях «Тигр». Увеличение составило 36 %.

Это увеличение удельной мощности позволяет рассчитывать и на существенное увеличение максимальной скорости в соответствии с ТУ - до 125-140 км/ч; на исследовательских испытаниях достигнуто 128,7 км/ч.

На автомобилях «Тигр» минимальные углы поперечной устойчивости (39,3-40^о) близки к соответствующим значениям, достигнутым на автомобилях «Водник» (40,2-40,7^о). Однако с увеличением массы на этих машинах угол статической поперечной устойчивости уменьшается. Таким образом, характеристика статической боковой устойчивости автомобилей «Водник» является несомненно лучшей, чем аналогичная характеристика автомобилей «Тигр».

Различие в статической поперечной устойчивости автомобилей «Водник» и «Тигр» объясняется и тем, что первые имеют корпусную конструкцию шасси (рисунок 3), а вторые - рамную.

Рисунок 3 - Независимая подвеска передних колес автомобиля ГАЗ-39371 с наклоном шкворня наружу для повышения поперечной устойчивости: 1 - корпус поворотного кулака; 2 - уплотнитель; 3 - защитный клапан; 4 - верхний шкворень; 5 - упор; 6 - буфер хода сжатия; 7 - буфер хода отдачи; 8 - упор; 9 - верхний рычаг; 10 - кронштейн; 11 - регулировочная муфта; 12 - регулировочная втулка; 13 - стяжной болт; 14 - нижний рычаг; 15 - амортизатор; 16 - нижний шкворень; 17 - соединительная ось; 18 - карданный вал

При корпусной конструкции шасси потребовалось увеличить колею автомобиля до 2,23 м. Благодаря именно этому обстоятельству на автомобилях «Водник» получен относительно небольшой крен аитомобиля не более 3,5^о, причем указанный крен не увеличивается при переходе от снаряженного состояния к состоянию с полной нагрузкой; для автомобилей ГАЗ-39371-221 и ГАЗ-39371-311 крен даже уменьшается с увеличением массы.

В связи с этим, несмотря на более высокое расположение центра масс на автомобилях «Водник» в снаряженном состоянии (Н=1101-1212 мм), благодаря уменьшению этой высоты по мере увеличения массы, их устойчивость против бокового опрокидывания остается высокой.

На автомобилях «Тигр» с увеличением массы груза высота центра масс увеличивается. И хотя начальное значение этой высоты (785-866 мм - для снаряженного состояния) является небольшим, с увеличением массы растет крен. Для уменьшения крена на бронированном образце ГАЗ-233004 применены стабилизаторы поперечной устойчивости. На небронированном образце (ГАЗ-233001) их применение оказалось неэффективным; крен составляет 9,15-9,5^о и мало изменяется с увеличением массы машины, таблица 6.

Таким образом, проведенный анализ статической боковой устойчивости современных армейских машин и путей ее улучшения показал:

1.   Поперечная устойчивость армейских машин является важнейшим фактором обеспечения их безопасного применения. Повышение поперечной статической устойчивости армейских АТС конструктивно может быть обеспечено увеличением их колеи, уменьшением высоты центра масс и ограничением крена.

.     Увеличение колеи автомобилей связано с увеличением их массы и габаритной ширины. Для компенсации увеличения массы, с целью сохранения высоких скоростных качеств, необходимо увеличивать мощность силовой установки, что снижает экономические показатели АТС.

3.       Увеличение габаритной ширины для автомобилей, используемых, хотя бы частично, на дорогах общего пользования, ограничено установленной транспортным законодательством предельной габаритной шириной (2,55 м).

Таблица 3 - Армейские высокомобильные (быстроходные) тактические автомобили семейств «Водник» и «Тигр». Параметры, определяющие статическую поперечную устойчивость

В связи с этим, резервом увеличения колеи в большей степени обладают автомобили малой и средней грузоподъемности полной массой до 6 т, габаритная ширина которых в настоящее время составляет 1,8-2,1 м.

. Для высокомобильных автомобилей боевого применения (типа «Водник»), в связи с увеличенной удельной мощностью (21-23 л.с./т) и скоростью движения, превышающей 100 км/ч, необходимо обеспечивать угол статической поперечной устойчивости не менее 38-40^о.

Для таких автомобилей допустимы увеличение колеи до 2,0-2,2 м и выход за пределы габарита 2,55 м по ширине.

5. Эффективным средством обеспечения более высокой боковой устойчивости высокомобильных машин, как установлено, является применение независимой подвески, обеспечивающей относительно небольшую высоту центра масс в снаряженном состоянии и ограниченное увеличение этой высоты не более чем на 10-15% при полной нагрузке.

Возможность реализации этих требований подтверждается тем, что на автомобилях «Тигр» указанное увеличение высоты центра масс не превышает 10-15%, а на автомобилях «Водник» образцы с полной массой имеют высоту центра масс меньшую, чем в снаряженном состоянии.

. Эффективность применения стабилизаторов поперечной устойчивости на армейских автомобилях многоцелевого назначения требует дальнейшего изучения.

.3 Статическая устойчивость прицепов-тяжеловозов со свечной подвеской

Прицепы-тяжеловозы (полуприцепы-тяжеловозы) широко применяются транспортными предприятиями во всем мире для перевозки крупногабаритных неделимых грузов. В армиях ряда государств, в том числе и в Российской Армии, автотранспортные средства этого типа используются для перевозки танков, других гусеничных машин, служат для размещения средств вооружения и монтажа различного армейского оборудования, а так же насыпных и наливных грузов.

Основным разработчиком и поставщиком тяжелого прицепного состава (тяжеловозов типа: прицеп или полуприцеп) для Российской Армии является Челябинский машиностроительный завод автомобильных прицепов (ЧМЗАП). Среди изделий этого предприятия, разработанных для армейского и иного применения, заметное место занимают прицепы и полуприцепы со свечной подвеской.

С каждой стороны прицеп опирается на бортовые тележки в виде пары колес на единой горизонтальной поперечной оси, шарнирно связанной с вертикальной стойкой - свечой. Стойка, в свою очередь, представляет собой телескопическую конструкцию с установленным внутри сопряженных труб упругим пружинным элементом. Подвеска такого типа используется на трехосном прицепе (ЧМЗАП-8386, грузоподъемностью 40 т) и на четырехосном прицепе ЧМЗАП-8390, грузоподъемностью 60 т.

Направляющий аппарат бортовых тележек позволяет осям 0₁ и 0₂ поперечного качания бортовых тележек перемещаться только вертикально, так что каждая пара колес может совершать только вертикальное и поперечное угловое перемещения.

Как всякая независимая подвеска, описываемая конструкция хорошо приспособлена к движению по неровным дорогам.

Кроме того, она способна воспринимать высокие вертикальные нагрузки, характерные для тяжеловозов. Подобная схема подвески отличается также тем, что при боковом наклоне прицепа практически отсутствует крен.

Статическая поперечная устойчивость подобных прицепов имеет свои особенности. Для их анализа рассмотрим схему прицепа, установленного на наклонной плоскости на которой обозначены:

G - сила тяжести прицепа с грузом, Н;

 - угол поперечного наклона опорной плоскости, град;

₁ и 0₂ - проекции продольных осей качания бортовых тележек на плоскость чертежа;

В - колея прицепа - расстояние между осями качания упомянутых тележек, м;

r - статический радиус колес, м;

b - колея бортовой тележки прицепа, м;

h_g - высота центра масс прицепа с грузом, м.

Анализ рассмотренной схемы показывает, что для прицепа с подобной конструкцией подвески могут иметь место три вида поперечной неустойчивости, общей особенностью которых является угловое перемещение прицепа в целом или его бортовой тележки в поперечном направлении, сопровождающееся отрывом разгруженных колес от опорной поверхности:

опрокидывание прицепа относительно оси 0₂ -0₂ более нагруженных бортовых тележек;

опрокидывание прицепа относительно линии А-А (внешней нижней кромки) упомянутых тележек;

нарушение статической устойчивости более нагруженных бортовых тележек, сопровождающееся угловым перемещением относительно линии А-А с отрывом внутренних колес от опорной поверхности.

При анализе первого случая потери устойчивости принимаем допущение, что центр масс (точка 0) прицепа с грузом расположен симметрично относительно бортовых тележек, то есть точка 0 находится на одинаковом расстоянии от осей 0₁-0₁ и 0₂-0₂). Также считаем, что в точке 0 сосредоточена вся масса прицепа с грузом, эквивалентная весу G.

Соответствующее условие устойчивости прицепа на поперечном уклоне:

Фактически вместо силы G в уравнении должна участвовать сила G-, где - суммарный вес правых (на чертеже), то есть, более нагруженных бортовых тележек, остающихся неподвижными при угловом перемещении прицепа относительно оси 0₂-0₂. При этом в уравнении должна участвовать также несколько большая величина h_g и большая, чем В/2, величина плеча действия силы G. cos.

Пренебрежение этими реальными особенностями статического нагружения прицепа на уклоне, тем не менее, не вносит существенной погрешности, поскольку при переходе к уравнению (1.4) увеличивается как плечо действия силы G. сos₀₂, так и плечо действия силы G. sin₂.

Из (1.4) находим условие статической устойчивости прицепа при опрокидывании относительно оси 0₂-0₂ :

График зависимости угла ₀₂ (град) от высоты центра масс представлен на рисунке 4. Указанная зависимость, как видно, близка к линейной. Из выражения следует также, что на боковую устойчивость прицепа-тяжеловоза оказывает влияние статический радиус колес - с его увеличением угол ₀₂ увеличивается.

Для дальнейшего анализа определим суммарные вертикальные реакции R₁ и R₂ бортовых тележек, направленные, как показано на рисунке 4, вдоль осей стоек подвески. Из приведенной схемы имеем:

,

Второй случай потери устойчивости, как указывалось, имеет место при гипотетическом угловом повороте прицепа относительно линии А-А. При рассмотрении этого случая считаем, что шарнир бокового качания более нагруженной тележки может быть заблокирован, и тогда указанная линия является реальной осью углового поворота прицепа. Считаем также, что в данном случае боковое скольжение прицепа невозможно (при реальной оценке устойчивости колесной машины на стенде опрокидывания для предупреждения бокового скольжения на краю опорной площадки устанавливается деревянная планка А, рисунок 4.

Кроме того учитываем, что наличие такой планки приводит к боковой деформации нижней части шины так, что точка А перемещается к средней плоскости наружной, более нагруженной, шины, соответственно уменьшая плечо действия силы G. сos до величины . Некоторая погрешность такого допущения способствует повышению запаса устойчивости и надежности результата расчета.

Исходное уравнение для данного случая имеет вид:

Условие статической устойчивости имеет вид:

Для прицепов ЧМЗАП, В=1780 мм, b=930 мм, r=470 мм (статический радиус шины К-83) блокировка шарниров бортовых тележек может обеспечить повышение их устойчивости только при h_g>1370 мм.

В то же время расчетная высота центра масс рассматриваемых прицепов ЧМЗАП, с погруженными армейскими гусеничными машинами, не превышает 1250-1300 мм. Это означает что блокировка шарнира нецелесообразна, так как предел устойчивости при неблокированном шарнире больше аналогичного предела при блокированном шарнире.

Следует также отметить, что схема с неблокированными шарнирами обеспечивает достаточно высокую поперечную устойчивость прицепов ЧМЗАП: при высоте центра масс h_g=1300-1370 мм угол их поперечной устойчивости, согласно рисунку 1.15, находится в диапазоне от 47^о до 44,68^о, что значительно выше норматива (не менее 32^о согласно ГОСТ В 25435).

Третий случай нарушения устойчивости (потеря устойчивости бортовой тележки), не влечет за собой таких опасных последствий, как опрокидывание прицепа. Однако его появление также недопустимо, поскольку может привести к нарушению работы и поломке тележек более нагруженного борта.

Согласно схеме рисунка 4, к правой (на чертеже) тележке приложены силы R₂ и Т₂, являющиеся реакциями составляющих силы тяжести. Если перенести силу Т₂ так, чтобы направление ее действия совпало с осью колес тележки (при этом получаем момент Т_2. r относительно точки А, и изменить направления действия сил Т₂ и R₂ на противоположные, то можно получить уравнение устойчивости тележки от возмущающего момента :

Стабилизирующий момент левой части неравенства, как видно, формируется силой, равной R₂ по величине и имеющей направление, противоположное показанному на чертеже. Плечо действия этой силы, с учетом ранее сделанного замечания, принято равным половине колеи тележки.

Силы Т₁ и Т₂, касательные реакции колес верхней и нижней тележек, связаны между собой равенством Т₁+Т₂= G. sin, однако, значение каждой из них неизвестно. В то же время величину силы Т₁ найти можно для случая, когда она достигает своего предельного значения по сцеплению.

Следует отметить, что при экспериментах на стенде скольжение практически всегда предшествует опрокидыванию и, если бы не было предохранительной планки А (рисунок 4), угол статического опрокидывания было бы невозможно получить. Вследствие этого, применительно к моменту опрокидывания можно считать, что Т₁ = R₁^. , где - коэффициент сцепления шин с опорной поверхностью.

Соответственно величина Т₂ = G₁. sin - R_1. .

Обозначив _т как угол наклона платформы стенда, при котором тележка теряет поперечную устойчивость, и, используя ранее приведенное выражение для R₁, получаем условие устойчивости бортовой тележки на поперечном уклоне:

С увеличением коэффициента сцепления (), угол поперечной статической устойчивости (_т) тележки увеличивается, поскольку растет сила Т₁=R₁^., а сила Т₂ - уменьшается. При  = 0 выражение также имеет физический смысл, заключающийся в том, что при идеально гладкой поверхности поперечная устойчивость обеспечивается наличием ограничительной планки стенда.

Анализ выражения показывает также, что зависимость угла поперечной устойчивости бортовой тележки _т от высоты центра масс h_g прицепа определяется входящей в знаменатель разностью:

Из формулы следует, что при  разность в скобках является положительной и тогда, с увеличением высоты h_g центра масс угол  уменьшается.

На тяжеловозах ЧМЗАП со свечной подвеской применяются два типа шин К-83 (статический радиус r = 470 мм) и ИК349-А (r = 495 мм).

Для этих шин = 0,94  0,99, что выше реальных значений коэффициента сцепления колес с дорогой. Это означает, что неравенство не выполняется, произведение имеет отрицательный знак, а угол  с увеличением высоты h_g увеличивается.

Повышение поперечной боковой устойчивости бортовой тележки с увеличением высоты центра масс прицепа объясняется согласно (1.7) увеличением реакции R₂, что приводит к росту восстанавливающего момента - левой части неравенства.

С увеличением статического радиуса r колеса угол поперечной устойчивости уменьшается.

В зависимости от высоты центра масс, может иметь тот или иной (первый или третий) случай потери устойчивости. Сравнивая правые части неравенств, находим условие, при котором опрокидывание тяжеловоза относительно оси 0₂ - 0₂ произойдет раньше - при меньшем значении угла поперечного наклона опорной платформы, чем потеря устойчивости бортовой тележки:

Таким образом, при анализе поперечной статической устойчивости прицепа-тяжеловоза со свечной подвеской, необходимо иметь в виду, что в зависимости от величины правой части неравенства расчет устойчивости необходимо вести по разным формулам.

Если условие выполняется, то указанный расчет необходимо проводить по данной формуле. Для прицепов ЧМЗАП, при коэффициенте сцепления  = 0,6, и при ранее упомянутых B= 1780 мм, b= 930 мм и r = 470 мм (шина К-83), граничное значение hg, равное правой части неравенства, составляет 1,277 м.

Расчеты показывают, что потеря устойчивости бортовой тележки возможна только в зоне малых высот центра масс, причем при увеличении этой высоты от 0,5 до 1,277 м, угол поперечной статической устойчивости тележки увеличивается от 41,7є до 47,8є(рисунок 1.4).

Аналогичным образом, увеличение h_g от 1,277 м до 2,25 м приводит к снижению указанного угла от 47,8є до 26,6є, что также показано на рисунке 4.

В заключение можно отметить, что, с учетом упомянутых значений высоты центра масс существующих армейских прицепов-тяжеловозов, рассмотренного типа, наиболее вероятным является первый случай потери боковой устойчивости.

Однако при малых значениях высоты центра масс целесообразна проверка боковой устойчивости бортовых тележек (третий случай потери устойчивости).

Второй расчетный случай потери устойчивости подлежит рассмотрению при необходимости блокировки шарниров поперечного качания тележек в качестве меры повышения боковой устойчивости тяжеловозов с большой высотой центра масс.

Рисунок 4 - Изменение угла поперечной статической устойчивости прицепа-тяжеловоза со свечной подвеской: 1 - бортовой тележки - по условию; 2 -прицепа в целом - по условию.

Выводы

устойчивость автомобиль армейский машина

1. Потенциальными средствами повышения поперечной статической устойчивости автомобилей и прицепов многоцелевого назначения могут быть: увеличение колеи, ограничение высоты центра масс и уменьшение бокового крена.

. Для автомобилей полной массой до 6 т простым и достаточно эффективным способом достижения цели может быть увеличение колеи до пределов, при которых габаритная ширина машины не превышает 2,55 м.

. Для армейских автомобилей тылового и вспомогательного назначения увеличение боковой устойчивости может быть достигнуто введением двухрядной установки задних колес (увеличением числа используемых шин). Подобная мера, кроме уменьшения колеи, позволяет также уменьшить высоту центра масс и обеспечить более высокую грузоподъемность автопоездов.

. Увеличение колеи машин, связанное с увеличением габаритной ширины свыше 2,5 м, ограничивает возможности применения автопоездов на дорогах общего пользования. Кроме того, это мероприятие приводит к увеличению его массы.

Однако для колесных машин боевого применения, предназначенных для монтажа ВВТ, это мероприятие допустимо и оправдано, особенно для высокомобильных автомобилей (с максимальной скоростью свыше 100 км/ч).

5. Для высокомобильных машин, учитывая их назначение, высокие средние скорости движения и условия применения (неровные дороги и местность), необходимый угол поперечной статической устойчивости () должен быть не менее 38 - 40^о.

. Для достижения такого высокого значения угла  может быть рекомендовано применение независимой подвески, обеспечивающей низкое размещение центра масс автомобиля в снаряженном состоянии и относительно небольшое (не более 10-15 %) увеличение высоты центра масс при полной нагрузке.

. Эффективность применения подвески такого типа для обеспечения высокой боковой устойчивости доказана экспериментально (стендовыми испытаниями автомобилей «Водник» и «Тигр»).

. Для прицепов, перевозящих тяжелые неделимые грузы (гусеничные машины и др.) средством уменьшения бокового крена и повышения статической устойчивости может быть применение свечной подвески, практически исключающей крен.

. Проведенными экспериментами подтверждена эффективность разработанного метода расчета поперечной устойчивости армейских автопоездов, а также уточнена и расширена база данных для ее аналитической оценки (по рекомендуемым значениям приведенной угловой жесткости автопоездов и допустимым значениям высоты центра масс).

. В целом, приведенными исследованиями определены направления дальнейшего повышения боковой устойчивости колесных машин армейского назначения и автопоездов.