ГлавнаяМастерскаяТеорияДинамикаТеоретические аспекты устойчивости трехколесных транспортных средств

Теоретические аспекты устойчивости трехколесных транспортных средств

Основа данной статьи взята с сайта дизайнера Роберта Рили, посвятившего значительную часть своей жизни разработке именно трехколесных транспортных средств, правда с двигателем внутреннего сгорания. Диаграммы и текст переработаны под веломобильную направленность ресурса.

Теоретические аспекты устойчивости трехколесных транспортных средств

Den FoX

Прочитав несомненно умные книжки Довиденаса и Пополова, а также массу статей на рускоязычных ресурсах по веломобилям, я так и не нашел рекомендаций по рассчету на устойчивость трехколесных веломобилей. Все фразы сводятся к тому, что "пробовали так - получилось не очень, попробовали эдак - вышло получше...", но никто из авторов так и не обосновал научно, почему так оно получилось, а ведь автомобиль, перед тем как создать его прототип расчитывают сначала на бумаге (а особенно тщательно рассчитывают летательные аппараты, но оно и понятно - ошибки здесь могут стоить человеческих жизней). Видимо подход к конструированию веломобилей изначально заложен экспериментальный, ведь создать веломобиль во много раз дешевле, чем автомобиль, и поэтому самодеятельные конструктора тратят иногда годы жизни на то, чтобы строить одну неудачную модель за другой, хотя иногда везет и "попадают по углам" (прошу прощения за такие выпады, несомненно все практики внесли свой неоценимый вклад в наполнение эмпирической конструкторской базы, к тому же не все можно просчитать "на бумаге").

Основа данной статьи взята с сайта дизайнера Роберта Рили, посвятившего значительную часть своей жизни разработке именно трехколесных транспортных средств, правда с двигателем внутреннего сгорания. Диаграммы и текст переработаны под веломобильную направленность ресурса.

Устойчивость традиционных трехколесных веломобилей

Устойчивость трехколесного веломобиля сравнима с устойчивостью четырехколесного, если центр тяжести расположен достаточно низко и близко к оси боковых колес. Порог опрокидывания определяется отношением L/H, где L - полуширина транспортного средства, H - высота центра тяжести над поверхностью земли. Для трехколесной машины полуширина определяется отношением реальной ширины (колеи колес) и положением центра тяжести относительно базы. Полученное значение будет эффективной полушириной. Эффективная полуширина может быть увеличина путем увеличения ширины машины (увеличением колеи боковых колес), расположением центра тяжести как можно ближе к оси боковых колес и в меньшей степени увеличением колесной базы. Устойчивость растет с увеличением эффективной полуширины и уменьшением высоты положения центра тяжести, т.е. с увеличением отношения L/H.

Определить запас устойчивости можно построив конус сил, используя такие параметры как: высота центра тяжести машины над поверхностью земли, положение центра тяжести относительно базы и эффективную полуширину. При прохождении поворота с постоянной скоростью (продольные силы взаимно скомпенсированы) на машину действуют следующие силы:

1) центробежная, приложенная в центре тяжести, ее вектор направлен перпендикулярно траектории поворота.

2) сила реакции опор (колес), приложена в точке контакта (будем считать упрощенно - в центре пятна контакта колеса с дорожным покрытием),

3) сила тяжести, вектор которой направлен вниз.

Максимальное центробежное ускорение ограничено коэффициентом трения покрышек о дорожное покрытие. Следует отметить, что максимально допустимые значения центробежной силы будут различными для разных типов покрышек. Проецируя макимальную результирующую сил, действующих на машину в повороте, на поверхность земли получим основание конуса. Если максимальное центробежное ускорение равно ускорению свободного падения, т.е. центробежная сила равна силе тяжести, то радиус основания конуса будет равен высоте центра тяжести над поверхностью земли. Запас устойчивости находится как разность между эффективной полушириной и радиусом основания конуса. Если полученное значение положительно, то машина будет скользить перед тем как перевернется, если отрицательно - будет переворачиваться при достижении центробежной силой определенного порогового значения.

Diagram_of_stability11

Diagram_of_stability2

При выборе компоновки: два передних, одно заднее (2п1з) или одно переднее, два задних (1п2з) следует учитывать, что при торможении в повороте машина, построенная по схеме 1п2з начинает вести себя нестабильно, в то время как вход в поворот с ускорением дестабилизирует машину схемы 2п1з. Поскольку силы торможения оказывают большее влияние на машину, чем ускорения (максимальная сила торможения определена силами трения всех трех колес, в то время как сила ускорения зависит от сил трения только одного или двух ведущих колес), то схема 2п1з имеет несомненное преимущество. Но многое зависит, от назначения конструкции, например, если требуется перевозить значительный груз, следует предпочесть схему с двумя задними колесами, между которыми можно расположить грузовую платформу. В этом случае , при загрузке, центр тяжести сместится ближе к оси боковых (задних) колес, что увеличит устойчивость машины.

Наклоняющиеся транспортные средства (НТС)

Diagram_of_stabilityBCLНаклоняющиеся трехколесные веломобили, которые кренятся в повороте так же как двухколесные, то есть в сторону поворота, поднимают планку устойчивости на совершенно новый уровень. В таких конструкциях ширина колеи и пониженный центр тяжести, а также положение центра тяжести в базе определяют устойчивость в наименьшей мере, то есть машина может быть минимальной ширины и с довольно высоким положением центра тяжести, но при этом иметь высокую степень устойчивости к опрокидыванию.

Устойчивость двухколесного транспортного средства в при прохождении поворота достигается наклоном его в сторону поворота, в результате чего сила тяжести компенсирует центробежную силу. Вектор результирующей этих двух сил лежит в плоскости продольного сечения экипажа. Максимальный угол наклона машины ограничен коэффициентом трения покрышек о дорожное покрытие, а также конструктивными особенностями: габаритные узлы машины могут начать задевать дорожное покрытие. В обычных условиях этот угол составляет 50-55 градусов относительно вертикали.

В наклоняющихся трех- и четырехколесных экипажах в игру вступают дополнительные ограничения на угол наклона. Например, кузов машины может касаться поверхности земли даже на небольших углах наклона, что накладывает свой отпечаток на устойчивость на более крутых поворотах. Кроме того, чем шире колея транспортного средства, тем больший угол поворота управляемых колес нужен для прохождения поворота. Механические ограничения определяются особенностями конструкции рулевого управления, подвески и механизма наклона, а также угловыми ограничениями трансмиссии, содержащей шарниры равных угловых скоростей (ШРУС).

Система управления наклоном: свободная и автоматическая

Наклон экипажа в повороте может инициироваться как самим водителем (как в традиционных двухколенсых конструкциях), т.е. наклоном тела в сторону поворота, так и механизмом автоматического наклона - посредством механических связей (непосредственных или через сервопривод) механизма курсового управления и механизма наклона. Для большинства трехколесных наклоняющихся экипажей существует предельный угол наклона, ограниченный особенностями конструкции машины, поэтому движение такого экипажа при прохождении поворота должно отслеживаться и управляться. Обычно для этого применяются гидро или электроприводы, управляемые специальным блоком управления. Блок управления, в свою очередь, получает сигналы от датчиков бокового ускорения, угла наклона и угла поворота управляемых колес и на основе этих данных задает нужный угол наклона экипажа. Плюсом такой схемы является то, что водителю не нужно самому поддерживать баланс транспортного средства в повороте подруливанием, как это обычно делается на двухколесных велосипедах.

Предел устойчивости НТС

Пока угол наклона экипажа совпадает с углом наклона вектора результирующей сил порог опрокидывания не играет никакой роли. Но когда угол наклона достигает конструктивного предела, а центробежная сила продолжает увеличиваться, устойчивость машины уже напрямую зависит от порога устойчивости, который определяется таким же образом как и для обычных ненаклоняющихся машин. Однако, при расчетах следует учесть, что центр тяжести смещается в сторону поворота.

Diagram_of_stabilityTTW

Тони Фоэл (Tony Foale), автор книги "Конструирование ходовой части мотоциклов" (Motorcycle Chassis Design), объясняет поведение НТС в повороте с помощью термина "виртуальное колесо", которое распологается в центре тяжести экипажа. В сбалансированном повороте вектор результирующей проходит в плоскости виртуального колеса. Когда же угол наклона достиг конструктивного предела для данной машины, а радиус траектории продолжает уменьшаться или растет скорость экипажа, результирующая проецируется за пределы точки контакта виртуального колеса с поверхностью земли. В машинах с автоматическим управлением углом наклона можно использовать блок управления для снижения скорости при прохождении поворота с целью компенсации момента опрокидывания.

НТС с одним наклоняющимся колесом

Другая, интересная для конструкторов категория НТС, включает машины, имеющие только одно наклоняющееся колесо. Примером может служить веломобиль "Хамелеон", рассмотренный в разделе "Зарубежные веломобили" на этом сайте. Порог устойчивости машин такого типа определяется порогом устойчивости каждой из двух секций (наклоняющейся и ненаклоняющейся), рассмотренных в отдельности. Ненаклоняющаяся часть рассчитывается подобно обычным ненаклоняющимся машинам, т.е. с помощью построения конуса сил. Для наклоняющейся секции действуют те же законы динамики, что и для традиционных двухколесных машин.

Для подобных экипажей, не имеющих конструктивного ограничения угла наклона, порог устойчивости определен в большей степени порогом устойчивости ненаклоняющейся секции. Но в то же время наклоняющаяся секция может оказывать как положительное так и отрицательное влияние на устойчивость машины в целом, в зависимости от положения оси шарнира наклона относительно оси колес ненаклоняющейся секции: если ось шарнира проходит выше центра оси колес ненаклоняющейся секции - порог устойчивости уменьшается с увеличением крутизны траектории поворота, т.е. устойчивость ухудшается, если ниже - порог устойчивости увеличивается, т.е. устойчивость улучшается. Если ось шарнира пересекает ось колес ненаклоняющейся секции, то наклоняющаяся секция не оказывает влияния на устойчивость при прохождении поворота.

Если рассматриваемое НТС имеет конструктивное ограничение угла наклона порог устойчивости определяется так же как для НТС со всеми наклоняющимися колесами, в пределах угла наклона. В этом случае значение будет иметь высота центра тяжести НАКЛОННОЙ секции. За пределами угла наклона машина ведет себя так же как и традиционная трехколесная, но с учетом нового положения центра тяжести ВСЕГО экипажа.

Наклон оси шарнира наклона на виде сбоку имеет также немаловажное значение. Для конструкции со свободной системой управления наклоном (наклон инициируется водителем) продолжение оси шарнира наклона должно пересекаться в точке касания передним колесом поверхности земли. Это необходимо для того, чтобы моменты ускорения или торможения не оказывали влияния на угол наклона машины при прохождении поворота.

 

Хочется отметить в заключении, что наклоняющиеся конструкции привлекают все возрастающее внимание конструкторов автомобилей своими великолепными характеристиками устойчивости, вполне возможно, что и в веломобилестроении будущее именно за такими машинами.

Примеры Вело-НТС можно увидеть здесь

Основа данной статьи взята с сайта дизайнера Роберта Рили, посвятившего значительную часть своей жизни разработке именно трехколесных транспортных средств, правда с двигателем внутреннего сгорания. Диаграммы и текст переработаны под веломобильную направленность ресурса.
 

Статьи по теме

Российский производитель веломобилей
Генерация скрипта 0 секунд Яндекс.Метрика