Углы установки колес автомобиля. Схождение и развал колес подробно Отрицательное плечо обкатки

Современные автомобили имеют всё более сложные и качественные шасси, которые должны соответствовать как требованиям по комфортабельности и спортивности, так и, в особой степени, требованиям безопасности движения.

Для того, чтобы требования к ходовой части выполнялись в течение всей «жизни автомобиля», а также после возможных аварий, сегодня существуют отличные возможности по проверке геометрии ходовой части и корректировке неправильных настроек.

Ходовая часть является связующим звеном между автомобилем и дорожным полотном. Как силы, действующие на опорную поверхность колеса и силы тяги, так и возникающие при прохождении поворотов силы бокового увода передаются ходовой частью на дорогу через колёса автомобиля.

Ходовая часть подвергается воздействию множества сил и моментов. Увеличивающаяся мощность автомобилей, а также возросшие требования к их комфортабельности и безопасности ведут к постоянному росту требований к ходовой части.

Когда вы «возитесь» с ремонтом , экспериментируете с размерами колес или занимаетесь настройкой вновь поставленной подвески, может случиться конфуз, о котором вы, возможно, даже никогда не слышали - вполне вероятно, изменится радиус плеча обкатки. Эта «штука» может оказать серьезное влияние на управляемость вашего автомобиля.

Без четкого и полного понимания всех факторов, влияющих на работу подвески, расположение колес и отработки геометрии, легко совершить ошибку в настройке, которая в конечном итоге заставит ваш автомобиль почувствовать себя хуже, чем было раньше. При этом уловить то мгновение, когда была допущена досадная оплошность, достаточно сложно.

В общих чертах радиус плеча обкатки - это неуловимая, почти мифическая настройка, стоящая где-то на краю ключевых регулировок, таких как развал, смещение и размер колеса. По сути, она определяется расположением точки в пространстве, где воображаемая линия, проходящая через центр подвески, пересекает вертикальную линию, проходящую по центру колеса, эти две линии где-то встретятся. Важно, что этот угол высчитывают на автомобиле без нагрузки. Для подсчетов, проводимых инженерами, это крайне важно.

Обратите внимание на больший угол подвески относительно колеса

В общем, есть три основных варианта радиуса плеча:

Если две линии пересекаются точно на пятне контакта шины с дорогой, у такого автомобиля нет радиуса плеча обкатки.

Если линии пересекаются ниже пятна контакта, теоретически под землей, то это называется положительным радиусом плеча обкатки.

Когда обе линии сходятся над пятном контакта - это отрицательное плечо обкатки.

В зависимости от этих настроек они могут серьезно влиять на то, как автомобиль управляется, ускоряется и останавливается. Разные расчетные нагрузки на ось и конфигурации привода нуждаются в различных настройках, которые будут высчитаны еще задолго до того, как инженеры приступят к реализации желаемых характеристик управляемости. Да, у автопроизводителей куча сложной работы, и этот этап лишь один из них. Измените всего один параметр в подвеске и вы инициируете цепную реакцию, которая в конечном итоге может свести на нет вашу главную цель.

Радиус плеча обкатки относится к относительному углу между подвеской и осью колес

При нулевом радиусе распространенное мнение заключается в том, что эта настройка может заставить автомобиль чувствовать себя слегка неустойчивым в передней части при прохождении поворотов и при резком торможении.

С другой стороны, в неподвижном состоянии при повороте руля приходится поворачивать пятно контакта, максимально распластанное по поверхности дороги, что требует больше усилий и больше изнашивает шину. В наши дни такая настройка (с нулевым плечом) на автомобилях встречается крайне редко. Чуть больше или чуть меньше, но не ноль.

Можно, конечно, изменить нулевую настройку. Например, «выдвиньте» колеса при помощи прокладок или установите полностью регулируемые койловеры, и радиус может стать положительным. Это заставит шину «скрести» по земле при поворотах, добавляя неравномерный износ и уменьшая срок ее службы. Автомобиль с положительным плечом обкатки может вести себя на дороге непредсказуемо: руль при проезде неровностей может вырываться из рук, при проезде поворотов создается «ощутимый момент, препятствующий равномерному движению».

Положительный момент такой настройки существует для заднеприводных автомобилей. Им такая настройка полезна для того, чтобы помочь сохранить передние колеса в прямом направлении, даже когда вы отпустите рулевое колесо. Используется в спортивных автомобилях и поставляется в стандартной комплектации с большинством конструкций подвески с двойными поперечными рычагами.

Передняя ось Volkswagen Scirocco

Положительный радиус плеча не способствует торможению, если по какой-либо причине между сторонами транспортного средства действует различная сила. Скажем, если левые колеса имеют меньшее сцепление с дорогой и система ABS не позволяет развить на них максимальное усилие. В этом случае автомобиль будет пытаться развернуться в сторону колес с большим сцеплением.

Экстремальный положительный радиус плеча может очень тяжелым, настолько, что это было действительно жизнеспособным только на старых автомобилях с очень тонкими шинами.

У большинства из нас на автомобилях стоит отрицательный радиус плеча, потому что он имеет тенденцию идти рука об руку с настройками распорок подвески МакФерсон. Это помогает управляемым передним колесам вести себя на дороге более стабильно, что хорошо для прохождения поворотов и общей управляемости автомобиля, если, предположим, у вас внезапно спустило одну из передних шин. Другой удобный «побочный эффект» заключается в том, что, если вы влетите колесами в воду с одной стороны автомобиля, отрицательный радиус сработает против естественного смещения автомобиля, смягчая последствия прохождения опасного участка.

Отрицательный радиус плеча безопаснее при аквапланировании

Настроить подвеску в отрицательном плече - наиболее безопасный вариант сделать это. Она (настройка) позволяет сгенерировать определенные усилия, которые уменьшат любую непреднамеренную водителем тенденцию к изменению направления движения, которая в случае с положительной настройкой может иметь место быть.

КЛУБ АВТОЛЮБИТЕЛЕЙ

/ХОЧУ ВСЕ ЗНАТЬ

УГЛОВАТАЯ ПОДВЕСКА

ГРАМОТНОМУ ВОДИТЕЛЮ ПРИГОДЯТСЯ АЗЫ ГЕОМЕТРИИ

ТЕКСТ / ЕВГЕНИЙ БОРИСЕНКОВ

Самое простое и, казалось бы, очевидное решение - вообще не делать никаких углов. При этом колесо в ходе сжатия-отбоя остается перпендикулярным к дороге, в постоянном и надежном контакте с ней (рис. 1). Правда, совместить центральную плоскость вращения колеса и ось его поворота конструктивно довольно сложно (здесь и далее речь о классической двухрычажной подвеске заднеприводных «жигулей»), поскольку обе шаровые опоры вкупе с тормозным механизмом внутрь колеса не помещаются. А раз так, то плоскость и ось «расходятся» на расстояние А, называемое плечом обката (при повороте колесо обкатывается вокруг оси ab). В движении сила сопротивления качению неведущего колеса создает на этом плече ощутимый момент, скачкообразно меняющийся при проезде неровностей. Мало кому понравится езда с постоянно рвущимся из рук рулем!

Кроме того, придется изрядно попотеть, преодолевая этот самый момент в повороте. Стало быть, положительное (в данном случае) плечо обката желательно уменьшить, а то и вовсе свести к нулю. Для этого можно наклонить ось поворота ab (рис. 2). Здесь важно не переусердствовать, чтобы при ходе вверх колесо не слишком заваливалось внутрь. На практике делают так: несколько наклонив ось поворота (b), нужную величину добирают наклоном плоскости вращения колеса (a). Угол a и есть развал. Под этим углом колесо опирается о дорогу. Покрышка в зоне контакта деформируется (рис. 3).

Выходит, что автомобиль движется словно на двух конусах, стремящихся раскатиться в стороны. Чтобы компенсировать эту неприятность, плоскости вращения колес надо свести. Процесс называется регулировкой схождения. Как вы уже догадались, оба параметра жестко связаны. То есть, если угол развала нулевой, не должно быть и схождения, отрицательный - требуется расхождение, иначе шины будут «гореть». Если на автомобиле развал колес выставлен по-разному, его будет тянуть в сторону колеса с большим наклоном.

Другие два угла обеспечивают стабилизацию управляемых колес - проще говоря, заставляют автомобиль с отпущенным рулем ехать прямо. Первый, уже знакомый нам угол поперечного наклона оси поворота (b) отвечает за весовую стабилизацию. Легко заметить, что при этой схеме (рис. 4) в момент отклонения колеса от «нейтрали» передок начинает подниматься. А так как весит он немало, то при отпускании руля под действием силы тяжести система стремится занять исходное положение, соответствующее движению по прямой. Правда, для этого приходится сохранять то самое, хоть и небольшое, но нежелательное положительное плечо обката.

Продольный угол наклона оси поворота - кастер - дает динамическую стабилизацию (рис. 5). Принцип ее ясен из поведения рояльного колесика - в движении оно стремится оказаться позади ножки, то есть занять наиболее устойчивое положение. Чтобы получить тот же эффект в автомобиле, точка пересечения оси поворота с поверхностью дороги (с) должна быть впереди центра пятна контакта колеса с дорогой (d). Для этого ось поворота и наклоняют вдоль. Теперь при повороте боковые реакции дороги, приложенные позади... (спасибо кастеру!) (рис. 6) стараются вернуть колесо на место.

Более того, если на машину действует боковая сила, не связанная с поворотом (например, вы едете по косогору или при боковом ветре), то кастер обеспечивает при случайно отпущенном руле плавный поворот машины «под склон» или «под ветер» и не дает ей опрокинуться.

В переднеприводном автомобиле с подвеской «Мак-Ферсон» ситуация совершенно иная. Эта конструкция позволяет получить нулевое и даже отрицательное (рис. 7б) плечо обката - ведь внутрь колеса здесь надо «запихнуть» лишь опору единственного рычага. Угол развала (и, соответственно, схождения) легко свести к минимуму. Так и есть: у знакомых всем ВАЗов «восьмого» семейства развал - 0°±30", схождение - 0±1 мм. Так как передние колеса теперь тянут автомобиль, динамическая стабилизация при разгоне не требуется - колесо уже не катится позади ножки, а тянет ее за собой. Небольшой (1°30") угол продольного наклона оси поворота сохранен для устойчивости при торможении. Значительный вклад в "правильное" поведение автомобиля вносит отрицательное плечо обката - при возрастании сопротивления качению колеса оно автоматически корректирует траекторию.

Как видите, трудно переоценить влияние геометрии подвески на управляемость и устойчивость. Естественно, конструкторы уделяют ей самое пристальное внимание. Углы для каждой модели автомобиля определяют после великого множества испытаний, доводочных работ и снова испытаний! Но только... в расчете на исправный автомобиль. На старой, изношенной машине упругие деформации подвески (в первую очередь, резиновых элементов) гораздо больше, чем у новой - колеса заметно расходятся от куда меньших сил. Но стоит остановиться, как в статике все углы вновь на своем месте. Так что регулировать разболтанную подвеску - мартышкин труд! Сначала нужно ее отремонтировать.

Свести на нет все усилия разработчиков можно и другими способами. Например, хорошенько задрать заднюю часть автомобиля. Глядишь - кастер поменял знак и от динамической стабилизации остались воспоминания. И если при разгоне «спортсмен» еще сможет справиться с ситуацией, то при экстренном торможении - вряд ли. А если добавить нестандартные шины и колеса с иным вылетом, кто возьмется предсказать, что получится в конечном итоге? Раньше срока изношенная резина и «убитые» подшипники - полбеды. Бывает и хуже...

Рис. 1. «Подвеска без углов».

Рис. 2. В поперечной плоскости положение колеса характеризуется углами a (развал) и b (наклон оси поворота).

Рис. 3. Качение наклонного колеса напоминает качение конуса.

Рис. 4. При положительном плече обката поворот колеса сопровождается подъемом передка кузова.

Рис. 5. Кастер - угол продольного наклона оси поворота.

Рис. 6. Так «работает» кастер.

Рис. 7. Положительное (а) и отрицательное (б) плечи обката.

Правильные углы установки колес — один из важнейших факторов, обеспечивающих нормальную управляемость, стабильность и устойчивость автомобиля при прямолинейном движении и при прохождении поворотов. Оптимальные для каждой модели параметры геометрии подвески закладываются на этапе проектирования. Заданные значения углов установки колес подвержены изменению и требуют периодической регулировки по причине естественного износа узлов и элементов ходовой части или после ремонта подвески.

Назначение углов установки колес

Корректно настроенная геометрия подвески позволяет автомобилю более эффективно воспринимать силы и моменты, возникающие в пятне контакта колеса с дорожной поверхность во время различных режимов движения. Этим обеспечивается предсказуемое поведение автомобиля, а именно: стабильность движения по прямой, устойчивость в поворотах, стабилизация при разгонах и торможении. Также благодаря отсутствию излишнего сопротивления качению колес происходит более равномерный износ шин, что позволяет увеличить срок их службы.

Заданные производителем значения углов установки колес являются оптимальными для конкретного автомобиля и соответствуют его назначению и особенностям настройки подвески. Однако, в случае необходимости, конструктивно предусмотрена возможность их изменения либо регулировки. Количество параметров, которые можно регулировать для каждого автомобиля, индивидуально.

Виды основных углов установки колес автомобиля

Развал колес

Развал колес (англ. camber ) — это угол, образованный средней плоскостью колеса и вертикалью, проходящей через точку пересечения средней плоскости колеса и опорной поверхности. Различают положительный и отрицательный развал:

• положительный (+) — когда верхняя часть колеса наклонена наружу (от кузова автомобиля);
• отрицательный (-) — когда верхняя часть колеса наклонена внутрь (к кузову автомобиля).

Конструктивно camber формируется положением ступичного узла и обеспечивает максимальную площадь пятна контакта шины с дорогой. В случае двухрычажной независимой подвески положение ступицы определяется верхним и нижним поперечными рычагами. В на формирование угла развала влияет нижний рычаг и амортизационная стойка.

Отклонение значений угла развала от нормы влияют на автомобиль следующим образом.

• хорошая устойчивость авто в поворотах;
• ухудшается сцепление колес при прямолинейном движении;
• повышенный износ внутренней стороны шины.

• хорошее сцепление колес с дорогой;
• ухудшается устойчивость в поворотах;
• повышенный износ наружной стороны шины.

Схождение колес

Cхождение колес (англ. toe ) — угол между продольной осью автомобиля и плоскостью вращения колеса. Может быть также определено как разность расстояний между передними и задними бортами ободов колес (на рисунке это значение А минус В). Таким образом, схождение может измеряться в градусах либо миллиметрах.

Различают суммарное и индивидуальное схождение. Индивидуальное схождение рассчитывается отдельно для каждого колеса. Это отклонение плоскости его вращения от продольной оси симметрии автомобиля. Суммарное схождение рассчитывается как сумма индивидуальных углов схождения левого и правого колес одной оси. Аналогично определяется суммарное схождение в миллиметрах. При положительном схождении (англ. toe-in ) колеса взаимно повернуты внутрь по направлению движения, при отрицательном значении (англ. toe-out ) – наружу.

Отклонение значений угла схождения от нормы влияют на автомобиль следующим образом.

Слишком большой отрицательный угол:

• повышенный износ шины с внутренней стороны;
• острая реакция авто на рулевое управление.

Слишком большой положительный угол:

• ухудшается выдерживание траектории движения;
• повышенный износ шин с наружной стороны.

Поперечный угол наклона оси поворота (англ. KPI ) — угол между осью поворота колеса и перпендикуляром к опорной поверхности. Благодаря данному параметру при повороте управляемых колес кузов автомобиля приподнимается, вследствие чего возникают силы,
стремящиеся вернуть колесо в прямолинейное положение. Таким образом, KPI оказывает значительное влияние на стабильность и устойчивость автомобиля при прямолинейном движении. Разность величин углов поперечного наклона правой и левой осей может приводить к уводу автомобиля в сторону с большим наклоном. Данный эффект может проявляться и при соответствии нормальным значениям остальных углов установки колес.

Угол продольного наклона оси поворота колеса

Продольный угол наклона оси поворота (англ. caster) — угол между осью поворота колеса и перпендикуляром к опорной поверхности в продольной плоскости автомобиля. Различают положительный и отрицательный углы продольного наклона оси поворота колеса.

Положительный caster способствует возникновению дополнительной динамической стабилизации автомобиля при движении на средней и высокой скорости. При этом ухудшается поворачиваемость на малой скорости.

Плечо обкатки

Помимо вышеперечисленных параметров, для передней оси имеет большое значение еще одна характеристика — плечо обкатки. Это расстояние между точкой, образованной пересечением оси симметрии колеса и опорной поверхности, и точкой пересечения линии поперечного наклона оси поворота и опорной поверхности. Плечо обкатки положительное, если точка пересечения поверхности и ось поворота колеса лежат справа от оси симметрии колеса (нулевого плеча), и отрицательное, если располагается слева от него. Если эти точки совпадают — то плечо обкатки нулевое.

Данный параметр влияет на стабилизацию и поворачиваемость колеса. Оптимальным значением для современных автомобилей является нулевое либо положительное плечо обкатки. Знак плеча обкатки определяется развалом, поперечным наклоном оси поворота колеса и вылетом колёсного диска.

Автопроизводители не рекомендуют устанавливать колесные диски с нестандартным вылетом, т.к. это может повлечь изменение заданного плеча обкатки на отрицательное значение. Это может серьезно повлиять на устойчивость и управляемость автомобиля.

Изменение значений углов установки колес и их регулировка

Углы установки колес подвержены изменениям вследствие естественного износа деталей, а также после их замены на новые. Все без исключения рулевые тяги и наконечники имеют резьбовое соединение, которое позволяет увеличить или уменьшить их длину для регулировки величин углов схождения колес. Схождение задних колес, равно как и передних, регулируется на всех типах подвесок, за исключением задней зависимой балки или моста.

Пояснения

Плечо обката

Плечо обкатки – это расстояние между центром пятна контакта колеса с дорогой (центра отпечатка шины) и точкой пересечения оси поворота управляемого колеса (шкворневой оси) с поверхностью дороги.

F 1 = Тормозная сила или сила сопротивления качению

F 2 = Сила тяги

r s = Плечо обкатки

Уменьшение плеча обкатки (картина 1 b ) уменьшает усилие на ободе рулевого колеса. Малое плечо обкатки снижает отклики на удары управляемого колеса о неровности дороги.

При торможении расположенным на колесе тормозным механизмом возникает продольная сила F 1 , которая образует момент F 1 * r S . Этот момент приводит к появлению силы на рулевой тяге и при положительном размере плеча обкатки r S отжимает колесо в направлении, соответствующем отрицательному схождению.

У транспортного средства, оборудованного ABS?

При работе ABS возникают различные по величине продольные силы, приложенные к правому и левому колесу, которые в виде толчков передаются на рулевое колесо. В этом случае плечо обкатки должно быть равным нулю, но лучше, если плечо обкатки будет иметь отрицательное значение.

Подвеску колес любого топа можно рассматривать как установленное консольно колесо относительно кузова автомобиля, поэтому при торможении возникает продольная сила, стремящаяся повернуть это колесо, причем колесо всегда будет стремиться повернуть передней частью наружу, то есть в сторону отрицательного схождения. Установка отрицательного плеча обкатки позволит получить момент продольной силы, который будет направлении в противоположную сторону моменту, стремящемуся повернуть колесо в сторону отрицательного схождения. У большинства автомобилей, не оборудованных FBS, контуры тормозных систем имеют диагональную схему соединения, плечо обкатки, как правило – отрицательное значение. Любое некорректное изменение, внесенное в конструкцию транспортного средства, таких, как установка дисков с повышенным вылетом, возникающее при желании установить широкие шины, или установка проставки между ступицей и диском колеса недопустимо. Изменение плеча обкатки может оказать отрицательное влияние на устойчивость прямолинейного движения, особенно при торможении, и потерю управляемости на повороте.

Плечо обкатки – один из самых важных параметров передней подвески.

С плечом обкатки r s связано:

• смещение пружины на стойке McPherson;
• вылет ЕТ дисков колес (расстояние от плоскости симметрии шины до плоскости диска колеса, контактирующей со ступицей);
• усилие на руле как в статике, так и в динамике;
• устойчивость автомобиля при торможении;
• положение подшипникового узла в ступице, а вместе с ним и положение колеса: продольная плоскость симметрии шины должна располагаться в базе подшипника(ов), желательно по центру (рис. 2). В противном случае, заявленный ресурс подшипника(ов) не будет достигнут.

Рис. 2. Относительное положение плоскости симметрии шины и базы подшипника(ов): а – конических роликовых; б – двухрядного шарикового

Вылет дисков колес ЕТ – параметр, на который водители обращают внимание только тогда, когда, установив более широкое колесо, оно начинает задевать об арку. И тогда решение приходит само: взять диски с меньшим ЕТ. «Добрые люди» говорят: «отклонение ±5 мм допустимо». А вдруг на заводе уже использовали эти 5 мм, что тогда?! А тогда потеря управляемости при экстренном торможении на миксте (неодинаковом сцеплении слева и справа).

Яркий пример, иллюстрирующий важность плеча обкатки, приведен в журнале «Автомобильная промышленность»:

Испытание №1. На автомобиль установили колеса с таким ЕТ, что получили плечо обкатки r s =+5 мм. Разгон до 60 км/ч. Отпускают руль (!!!) и применяют экстренное торможение на миксте. Результат – разворот автомобиля на 720° – что и ожидали.

Испытание №2. Все то же, но r s =–5 мм (диски с ЕТ на 10 мм больше первых, кстати, это уменьшило колею на 20 мм). Результат – увод автомобиля на 15° – неожиданно?!

И это ответ тем, кто считает, что чем шире колея, тем устойчивее автомобиль, а диски колес влияют только на экстерьер автомобиля.

Причина столь различного поведения автомобиля после, казалось бы, косметического изменения – эластокинематика рулевой трапеции (рис. 3).

Рис. 3. Влияние положительного (а) и отрицательного (б) плеча обкатки r s =R 1 /cos σ (см. рис. 4) на устойчивость автомобиля при торможении:

R` x 1 >R“x 1 , R` x 2 =R“ x 2 – тормозные силы на соответствующих колесах;

F и – сила инерции, приложенная к центру масс автомобиля

Рис. 4. Параметры установки управляемых колес

Если тормозная сила больше, например, слева, то на центр масс автомобиля действует поворачивающий момент, равный разности тормозных сил умноженный на плечо (половина колеи). Но так как силы слева и справа неуравновешенны, то на рулевую трапецию действует момент

(R`*x 1 –R“*x 1)·R 1 .

Рулевая трапеция поворачивается (за счет деформации опор, рычагов, кузова). В случае положительного плеча обкатки этот поворот увеличивает поворачивающий момент, при отрицательном плече – частично или полностью его компенсирует.

Отрицательное плечо обкатки получить непросто. Увеличивают ЕТ дисков (глубину), поперечный угол наклона шкворневой оси и угол развала колес. Но с увеличением первого угла растет усилие на руле, а с увеличением развала – ухудшается сцепление шин с дорогой в повороте (нужен отрицательный развал!). Чем шире профиль шин, тем сложнее конструктивно разместить в колесе тормозные механизмы, ступицу, шаровые опоры, рулевые тяги и привод.

Красивым решением проблемы уменьшения плеча обкатки является применение многорычажной передней подвески с четырьмя шаровыми опорами (см. рис. 5).

Рис. 5: Многорычажная подвеска переднего управляемого колеса производителя VAG

По конструкции она очень похожа на подвеску на двойных поперечных рычагах классической треугольной формы. Однако вместо одной шаровой опоры в вершине треугольника применены две – образуется четырехугольник. Такая конструкция неработоспособна без пятого рычага – рулевой тяги. На треугольных рычагах ось поворота колеса проходила через центры шаровых опор. В новой конструкции эта ось виртуальна и проходит далеко за пределами четырехугольника (рис. 6).

Рис. 56 Схема поворота колеса на многорычажной передней подвеске (вторая пара рычагов условно не показана)

По материалам Учебного пособия «Эксплуатационные свойства автомобилей», А. Ш. Хусаинов