Недостаточная и избыточная поворачиваемость — это термины динамики транспортного средства , используемые для описания чувствительности транспортного средства к изменениям угла поворота рулевого колеса, связанным с изменениями поперечного ускорения. Эта чувствительность определена для ровной дороги для заданного устойчивого рабочего состояния Обществом инженеров-автомобилестроителей (SAE) в документе J670 [1] и Международной организацией по стандартизации (ISO) в документе 8855. [2] Является ли транспортное средство недостаточно или избыточно поворачиваемым, зависит от скорости изменения угла недостаточной поворачиваемости. Угол недостаточной поворачиваемости — это величина дополнительного поворота рулевого колеса (на колесах, а не на штурвале), которая должна быть добавлена в любом заданном устойчивом маневре за пределами угла поворота Аккермана. Угол поворота Аккермана — это угол поворота рулевого колеса, под которым транспортное средство будет двигаться по кривой, когда не требуется поперечное ускорение (на пренебрежимо малой скорости).
Градиент недостаточной поворачиваемости (U) — это скорость изменения угла недостаточной поворачиваемости по отношению к поперечному ускорению на ровной дороге для заданного устойчивого рабочего состояния.
Транспортное средство имеет недостаточную поворачиваемость , если градиент недостаточной поворачиваемости положительный, избыточную поворачиваемость , если градиент недостаточной поворачиваемости отрицательный, и нейтральную поворачиваемость, если градиент недостаточной поворачиваемости равен нулю.
Любители автомобилей и автоспорта часто неформально используют эту терминологию в журналах и блогах для описания реакции автомобиля на рулевое управление при различных маневрах.
Для определения градиента недостаточной поворачиваемости можно использовать несколько тестов: постоянный радиус (повторные тесты на разных скоростях), постоянная скорость (повторные тесты с разными углами поворота) или постоянное рулевое управление (повторные тесты на разных скоростях). Формальные описания этих трех видов тестирования предоставлены ISO. [3] Джиллеспи подробно останавливается на двух методах измерения. [4]
Результаты зависят от типа теста, поэтому просто указать значение град/г недостаточно; необходимо также указать тип процедуры, используемой для измерения градиента.
Транспортные средства по своей сути являются нелинейными системами , и нормально, когда U меняется в диапазоне испытаний. Транспортное средство может демонстрировать недостаточную поворачиваемость в одних условиях и избыточную поворачиваемость в других. Поэтому необходимо указывать скорость и боковое ускорение всякий раз, когда сообщается о характеристиках недостаточной/избыточной поворачиваемости.
На градиент недостаточной поворачиваемости влияют многие свойства автомобиля, включая жесткость шин на поворотах, тягу развала , боковую силу , податливость рулевого управления, самовыравнивающийся крутящий момент , боковой перенос веса и податливость в системе рулевого управления. Распределение веса влияет на нормальную силу на каждой шине и, следовательно, на ее сцепление. Эти индивидуальные вклады можно определить аналитически или путем измерения в анализе Бундорфа .
Необходимо проявлять большую осторожность, чтобы не смешивать поведение недостаточной/избыточной поворачиваемости с предельным поведением транспортного средства. Физика очень разная. У них разные последствия для управления и разные причины. Первое касается эффектов деформации шин из-за скольжения и углов развала по мере достижения возрастающих уровней бокового ускорения. Последнее касается случая предельного трения, в котором либо передние, либо задние колеса насыщаются первыми. Лучше всего использовать описательные термины гонщиков «толкать (плуг) и отпускать (вращение)» для предельного поведения, чтобы эти концепции не путались. [5]
Шины передают боковые (из стороны в сторону) и продольные (спереди назад) силы на грунт. Общая сила тяги (сцепление), доступная для шины, представляет собой векторную сумму боковых и продольных сил, функцию нормальной силы и коэффициента трения. Если боковые и продольные силы, действующие на шину во время эксплуатации, превышают имеющуюся у шины силу тяги, то говорят, что шина насыщена и потеряет сцепление с грунтом и начнет скользить.
Толчок (plow) можно понимать как состояние, при котором при повороте передние шины насыщаются раньше задних и скользят первыми. Поскольку передние шины не могут обеспечить дополнительную боковую силу, а задние могут, передняя часть автомобиля будет следовать по траектории большего радиуса, чем задняя, и если нет никаких изменений угла поворота рулевого колеса (т. е. рулевое колесо остается в том же положении), передняя часть автомобиля будет скользить к внешней стороне кривой.
Если задние шины насыщаются раньше передних, передние шины будут удерживать переднюю часть автомобиля на желаемой траектории, но задние шины будут скользить и следовать траектории с большим радиусом. Задняя часть будет отклоняться наружу, и автомобиль повернет к внутренней части кривой. Если угол поворота рулевого колеса не изменится, то передние колеса будут описывать все меньший и меньший круг, в то время как задние колеса продолжат вращаться вокруг передней части автомобиля. Это то, что происходит, когда автомобиль «выскальзывает». Автомобиль, склонный к ослаблению, иногда называют «счастливым хвостом», как собака виляет хвостом, когда счастлива, и распространенной проблемой является «рыбье хвоста» .
В реальном вождении происходят постоянные изменения скорости, ускорения (торможение или ускорение транспортного средства), угла поворота рулевого колеса и т. д. Все эти изменения постоянно изменяют распределение нагрузки транспортного средства, что, наряду с изменениями температуры шин и состояния дорожного покрытия, постоянно изменяет максимальную силу тяги, доступную для каждой шины. Однако, как правило, именно изменения центра масс вызывают насыщение шин и сообщают об ограничениях характеристик управляемости.
Если центр масс смещается вперед, градиент недостаточной поворачиваемости имеет тенденцию к увеличению из-за чувствительности к нагрузке на шины . Когда центр масс смещается назад, градиент недостаточной поворачиваемости имеет тенденцию к уменьшению. Смещение центра масс пропорционально ускорению и зависит от высоты центра масс. При торможении большая часть веса (нагрузки) автомобиля приходится на передние шины и меньшая на задние шины. И наоборот, когда автомобиль ускоряется, происходит обратное, вес смещается на задние шины. Аналогично, когда центр масс нагрузки смещается с одной стороны на другую, изменяется сцепление внутренних или внешних шин. В крайних случаях внутренние или передние шины могут полностью оторваться от земли, исключая или уменьшая рулевое воздействие, которое может быть передано на землю.
Хотя распределение веса и геометрия подвески оказывают наибольшее влияние на измеренный градиент недостаточной поворачиваемости в стационарном тесте, распределение мощности, смещение тормозов и перенос веса между передней и задней частями автомобиля также будут влиять на то, какие колеса теряют сцепление первыми во многих реальных сценариях.
Когда автомобиль с недостаточной поворачиваемостью доводится до предела сцепления шин, где уже невозможно увеличить боковое ускорение, автомобиль будет следовать по траектории с радиусом больше предполагаемого. Хотя автомобиль не может увеличить боковое ускорение, он динамически стабилен.
Когда автомобиль с избыточной поворачиваемостью доводится до предела сцепления шин, он становится динамически нестабильным с тенденцией к заносу . Хотя автомобиль нестабилен в управлении с открытым контуром, опытный водитель может сохранить контроль за точкой неустойчивости с помощью контрруления и/или правильного использования дроссельной заслонки или даже тормозов; это делается намеренно в спорте дрифта .
Если заднеприводное транспортное средство имеет достаточно мощности для вращения задних колес, оно может в любой момент инициировать избыточную поворачиваемость, передавая достаточно мощности двигателя на колеса, чтобы они начали вращаться. После того, как сцепление нарушается, они относительно свободно качаются вбок. При нагрузке торможения больше работы обычно выполняют передние тормоза. Если этот передний перекос слишком велик, то передние шины могут потерять сцепление, что приведет к недостаточной поворачиваемости.
Градиент недостаточной поворачиваемости является одной из основных мер для характеристики устойчивого поведения при повороте. Он участвует в других свойствах, таких как характерная скорость (скорость для автомобиля с недостаточной поворачиваемостью, где угол поворота, необходимый для прохождения поворота, в два раза больше угла Аккермана), прирост бокового ускорения (g's/град), прирост скорости рыскания (1/с) и критическая скорость (скорость, при которой автомобиль с избыточной поворачиваемостью имеет бесконечный прирост бокового ускорения).