Положительный эффект отрицательного плеча

Водитель ведет автомобиль. Впереди — препятствие. Он тормозит, но тормоза «берут» чуть-чуть по-разному. В большинстве случаев эта разница практически малозаметна. Но вот при очень резком торможении (рис. 1) автомобиль бросает в сторону, может быть всего на полметра, или заносит и... авария. Она нередко возникает также из-за того, что при торможении колеса одной стороны машины оказались на льду, грязи или воде.

Рис 1. Поведение автомобиля (он сзади) с положительным плечом обкатки когда колеса одной стороны попадают на скользкую поверхность или когда срабатывает лишь один из контуров раздельного диагонального привода тормозов.

Что общего между названными случаями? Общее то, что колеса правой и левой сторон попали в разные условия по силам сопротивления движению. И, естественно, эти разные условия «провоцировали» занос или самопроизвольный разворот автомобиля, который водитель не всегда успевал вовремя скорректировать.

«Самозащита» против заноса

Все современные модели обязательно имеют два независимых контура в гидроприводе тормозов (см. статью). Для гарантии сохранения эффективности торможения, а значит, и безопасности, необходимо, чтобы при любых неисправностях работал тормоз хотя бы одного переднего колеса. По этой причине получила широкое распространение наиболее дешевая и простая из двухконтурных — диагональная схема раздельного гидравлического привода тормозов. Но переход на нее заставил конструкторов заложить «меры самозащиты» в геометрические соотношения параметров передней подвески и рулевого привода. Эта мера — отрицательное плечо обкатки.

Рис 2. Плечо обкатки: а – положительное, б – отрицательное. А, Б – центры шаровых шарниров передней подвески; В – точка пересечения условной оси «шкворня» с поверхностью дороги; Г – точка середины пятна контакта шины с дорогой.

Несколько слов о самом термине. Плечом обкатки (рис. 2) называют расстояние между точкой Г контакта шины с дорогой и точкой В. Она обозначает пересечение с дорогой продолжения воображаемой оси, проходящей через центры верхнего и нижнего шаровых шарниров двухрычажной передней подвески. Если отрезок ГВ расположен внутри колеи автомобиля (рис. 2а), его считают положительным. Если же благодаря определенному сочетанию размеров деталей в передней подвеске отрезок ГВ оказывается вне колеи, то плечо обкатки r считают отрицательным (рис. 2б).

Теперь посмотрим, что произойдет при торможении машины с диагональной раздельной схемой гидропривода тормозов. Предположим, что один из контуров (скажем, обслуживающий тормоза переднего правого и заднего левого колес) вышел из строя. При нажатии на педаль тормозятся переднее левое и заднее правое колеса (рис. 3). В точках контакта их с дорогой возникают тормозные силы, соответственно Fтп и Fтз.

Рис 3. Схема действия сил на автомобиль во время торможения при срабатывании лишь одного контура в раздельном диагональном приводе тормозов: Fтп — тормозная сила, приложенная к переднему колесу; Fтз — тормозная сила, приложенная к заднему колесу; Fи — сила инерции при торможении; К — величина колеи машины; Ми — момент от силы инерции, разворачивающий автомобиль.

Момент от силы инерции Fн, приложенной в центре тяжести ЦТ автомобиля на плече, равном половине колеи, станет разворачивать машину вокруг переднего левого колеса. Его лишь в небольшой степени будет нейтрализовать момент от силы Fтз, разворачивающий автомобиль в противоположном направлении вокруг заторможенного заднего правого колеса. Отдельно рассмотрим силу Fтп. Она значительно больше, чем Fтз (из-за перераспределения сцепного веса при торможении), поэтому для упрощения схемы действия сил условно будем считать, что тормозит только одно переднее колесо, и сила инерции разворачивает машину вокруг него. Но такая же примерно ситуация возникает при любой схеме, и даже если привод полностью исправен, но колеса одной стороны машины попадают при торможении на покрытие с малым коэффициентом сцепления (обледенелое, заснеженное, мокрое) или в случае разрыва на ходу шины одного из передних колес. Сохранить при этом заданное направление очень трудно, а иногда и невозможно. Кроме того, здесь управляемые колеса стремятся повернуться в ту сторону, где тормозная сила может быть реализована за счет более высокого коэффициента сцепления, резко увеличивая разворот автомобиля.

Обратимся к рис. 4. Управляемое колесо при торможении поворачивается относительно «шкворня», воображаемой оси АВ, под действием тормозной силы Fтп.

Усилие на руле снижено почти до нуля

При традиционном, положительном плече обкатки (отрезок ГВ на рис. 4а) возникает момент Мт, действующий в том же направлении, что и момент Ми, образованный силой инерции Fн на плече, равном половине колеи.

Рис 4. Действие сил и моментов на переднее левое колесо и автомобиль при торможении: а – при положительном плече обкатки; б – при отрицательном плече обкатки; Мт – дополнительный момент, возникающий при торможении. Остальные обозначения те же что и на рис. 3.

Если же сконструировать подвеску передних колес так, чтобы плечо обкатки получилось отрицательным (отрезок ВГ на рис. 4б), то произведение этого плеча на силу Fтп, приложенную в точке контакта Г колеса с дорогой, даст момент Мт, действующий в направлении, противоположном моменту Ми, и будет его нейтрализовать.

Во время сравнительных испытаний автомобилей с отрицательным и положительным плечами обкатки торможение производилось с начальной скорости 80 км/ч при отсутствии блокировки колес и отпущенном рулевом колесе. Один из контуров диагональной схемы привода при этом искусственно отключали. У модели с положительным плечом обкатки угол разворота относительно исходного направления движения составлял 140-160° при значительном боковом смещении. А модель с заложенным в конструкцию отрицательным плечом обкатки имела угол разворота в пределах 15-17°, то есть практически не отклонялась от первоначальной траектории. Это наглядное свидетельство несомненного преимущества отрицательного плеча обкатки при несимметричном торможении автомобиля.

Особенно интересны в этой связи и полученные на испытаниях данные о величине усилия или крутящего момента, которые необходимо приложить водителю к рулевому колесу, чтобы удержать машину на желаемой траектории при торможении. Момент на руле, необходимый для этого при положительном плече обкатки, достигает примерно 130 кгс*см, то есть при радиусе рулевого колеса 20-25 см водитель должен прикладывать усилие более 5-6 кгс. На автомобиле с отрицательным плечом обкатки момент на рулевом колесе в тех же условиях ничтожно мал и колеблется около нулевого значения. При этом корректировка траектории движения рулем не вызывает у водителя никаких трудностей.

Занос при торможении – в 10 раз меньше

Рис 5. Схематическое устройство передней подвески типа «Мак-Ферсон» автомобиля «Ауди-80» с отрицательным плечом обкатки, равным 18 мм.

Таков положительный эффект отрицательного плеча обкатки, который повышает безопасность за счет сохранения прямолинейной траектории при торможении или при попадании колес одной стороны на скользкий участок дороги.

А насколько большим может быть отрицательное плечо обкатки? Слишком большая его величина может привести к ухудшению стабилизирующих свойств рулевого управления, что придется компенсировать соответственно увеличением продольного наклона шкворня. Но такая «компенсация», в свою очередь, увеличит усилие на руле, что нежелательно. Поэтому у большинства машин величина отрицательного плеча обкатки колеблется в пределах от 2 до 10 мм, достигая в крайних случаях 18 мм (как сделано на «Ауди-80»). Другая крайность — модели с плечом обкатки, равным нулю («Мерседес-Бенц»).

Впервые отрицательное плечо обкатки было применено на переднеприводных американских автомобилях «Олдсмобиль-торонадо» и «Кадиллак-эльдорадо» в середине 60-х годов, а комбинация отрицательного плеча с диагональной схемой тормозных контуров впервые осуществлена на «Ауди-80» в 1972 году (рис. 5).

Преимущества подвески, обеспечивающей отрицательное плечо обкатки, оказались настолько очевидными и значительными, что почти все европейские и некоторые американские фирмы начали использовать такую конструкцию на своих новых моделях.

Б. ФИТТЕРМАН, доктор технических наук

А. ДИВАКОВ, кандидат технических наук

(«За рулем» №11, 1979)

См. также:

авточтиво, «Автомобильная безопасность»