Что такое плечо обката колеса
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ПЛЕЧА «За рулем» №11, 1979
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.
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. 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.
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.
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.
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
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)
Вылет колёсных дисков, в зависимости от размеров колеса, для сохранения заводского плеча обката, на примере Киа Спортэйдж 1.
Всем привет. Давно хотел запилить этот пост, но времени писать нету.
Владельцы спортэйджев первого поколения обычно выбирают себе колёсные диски по принципу: «Чем сильнее торчит из арок — тем круче». И мало кто из них задумывается, почему же после установки таких дисков на машине становится сложно ездить по асфальту. Руль рвёт из рук, машина плохо едет по прямой, хоть в поворотах при этом меньше кренится. Виной всему изменившееся плечо обката. Подробно про плечо обката можно почитать вбив в яндекс фразу «Плечо обката». К сожалению тут нельзя вставлять ссылки, поэтому коротко напишу и тут, что это такое.
Текст короткого пояснения, что такое плечо обката, позаимствован у S-labMotorsport. Если будут авторские претензии, без проблем заменю его на другой подобный.
Плечо обката (Scrub Radius) — это расстояние между точкой, в которой ось поворота колеса пересекается с пятном контакта шины, и центром ее пятна контакта.
Проще говоря, при плече отличном от нулевого, колесо начинает действовать как рычаг на элементы рулевого управления, создавая момент, способный вызвать поворот колеса в эту же сторону и нарушить курсовую устойчивость автомобиля.
Наехали на кочку — руль пытается повернуться.
Те нам нужно попасть осью поворота колеса в центр пятна конакта.
Для себя, и для остальных владельцев спортэйджев первого поколения, я решил сделать таблицу подбора вылета колёсного диска в зависимости от наружнего диаметра колеса. Она нужна, если Вы решили поставить колёса большего диаметра, и при этом хотите сохранить заводске плечо обката, значение которого для первого спортэйджа скорее всего составляет ноль, или оно очень близко к нулю.
Штатные колёса для первого спортэйджа бывают двух размеров:
1 — 205/70/15
2 — 205/75/15
Вылет штатных колёсных дисков при этом составляет 45мм
Воспользовавшись шинным калькулятором
мы получаем наружний диаметр колеса
1 — 669 мм (26.3»)
2 — 689 мм (27.1»)
Теперь я приведу распечатку скрина регулировки сходразвала Володиного спортэйджа, подвеска которого не подвергалась никаким модернизациям и лифту, соответственно что эти параметры близки к эталонным заводским.
Из этого скрина, для дальнейших рассчетов вылета колёсных дисков при изменении диаметра колеса, нас интересует сумма двух параметров (обвёл красным), которая отображает истинный поперечный наклон оси.
Для левого колеса корейцы напилили 11градусов11минут+7минут=11градусов18 минут
Для правого колеса корейцы напилили 11*41`+5`=11*46`
Напоминаю, в одном градусе 60`
Для моего спортэйджа, когда подвеска была в стоке, у меня тоже остался скрин.
Усредним криворукие корейские запилы поворотных кулаков до значения 11.6 градуса, и исходя из этой цифры попробуем рассчитать вылет колёсных дисков для самых любимых колёс спортэйджеводов, размерностью 235/75/15
Для этого воспользуемся прекрасной программой компас 3д, которая посчитает всё за меня)))
Для сохранения заводского плеча обката, если за основу брать штатное колесо размерностью 205/70/15, вылет дисков должен быть поближе к следующим значениям:
Для 235/75/15 ЕТ45-6.6=38.4
Для 235/65/17 ЕТ45-7.1=37.9
Для сохранения заводского плеча обката, если за основу брать штатное колесо размерностью 205/75/15, вылет дисков должен быть поближе к следующим значениям:
Для 235/75/15 ЕТ45-4.5=40.5
Для 235/65/17 ЕТ45-5=40
Как видно из этих рассчетов, для сохранения управляемости первого спортэйджа на асфальте, об установке колёсных дисков с вылетом 20, а тем более с вылетом 0 и речи быть не может, ведь тогда нужны колёса наружным диаметром гораздо больше, чем 29″, ведь на каждый дюйм увеличения диаметра колеса приходится лишь 2.5мм уменьшения вылета диска.
29″ ЕТ40
30″ ЕТ37.5
31″ ET35 — требуется делать примерку колёс, возможно с вылетом 35 они не будут прокручиваться в арках при полном вывороте и при полной просадке подвески.
32″ ET32.5 — требуется делать примерку колёс, возможно с вылетом 32.5 они не будут прокручиваться в арках при полном вывороте и при полной просадке подвески.
33″ ЕТ30 — требуется делать примерку колёс, возможно с вылетом 30 они не будут прокручиваться в арках при полном вывороте и при полной просадке подвески.
34″ ЕТ27.5 — в спортэйдж 1 не впихнуть
35″ ЕТ25 — в спортэйдж 1 не впихнуть
36″ ЕТ22.5 — в спортэйдж 1 не впихнуть
37″ ЕТ20 — в спортэйдж 1не впихнуть
Дополнение от Apueu
Внимание! Резину от 31″ рекомендуется устанавливать только для эксплуатации Киа Спортэйдж 1 преимущественно по бездорожью! Так же рекомендуется не уменьшать вылет дисков на величину больше минимально-необходимого для установки резины, чтобы колёса в арках крутились при полном вывороте колёс и полной просадке подвески. Колеса больше 33″ не впихнуть вообще!111
Исходя из этой статьи, Вы сможете применить подобные рассчеты для любого автомобиля, то есть вашего, и выбрать подходящий вылет дисков для него. Для этого достаточно иметь распечатку углов установки колес со сход-развала и знать наружний диаметр резины, которую собираетесь использовать. Был бы я лет на 25 помоложе (в школьном возрасте), я бы запилил калькулятор на бейсике, в который можно было бы вбить 2 значения с распечатки сход-развала (равал и угол поперечного наклона оси поворота колеса), наружний диаметр колеса, и он бы выдал рекомендуемое значение вылета диска, для сохранения заводского плеча обката. Но я к сожалению уже не помню, как писать программы, да и компьютеры и языки программирования ушли далеко вперёд.
Выбор параметров дисков и резины
Многие приобретают резину и диски размеров отличных от заводских. Но мало кто задумывается на что влияет изменение параметров диска и резины. Поэтому, хотел бы, пояснить свои мысли не с позиции ощущений, а с позиции цифр.
Надеюсь пост будет полезен тем, кто ломает голову какие же все-таки колеса предпочесть.
Сразу скажу, кому неохота вникать можете просто прочитать выводы.
Рассмотрим такой пример.
Стандартные колеса Kia Spectra имеют размерность 185/65R14.
Нам необходимо определить его диаметр.
14х25,4=355,6мм — диаметр диска
185х0,65х2=240,5мм – высота профилей
Итого диаметр колеса равен 355,6+240,5=596,1мм
Рассмотрим стандартный диск. Нас интересует только вылет – ЕТ45.
Нам захотелось колесики покрасивее, например 195/50R16, на дисках со стандарным вылетом, т.е. ET45.
Считаем его диаметр:
16х25,4=406,4мм – диаметр диска
195х0,5х2=195мм – высота профилей
Итого диаметр колеса 406,4+195=601,4мм
Теперь рассмотрим все по порядку:
Введение.
Существует такой параметр, как плечо обката.
Плечо обката – кратчайшее расстояние между серединой шины и осью поворота колеса.
Бывает положительным, отрицательным и нулевым.
-легче поворачивать руль на месте
-опасно при наезде одной стороной на поверхность отличную от поверхности под другой стороной автомобиля
-опасно при наезде на неровность
-все с точностью наоборот
На всех современных автомобилях применяют отрицательное плечо обката, на Спектре в том числе.
Нулевой рассматривать не будем.
Вывод: Увеличение плеча(более положительное значение) – плохо, уменьшение(более отрицательное значение) – хорошо.
Рассмотрим наш пример.
Схематически это выглядит как прямоугольный треугольник.
Это варианты со стандартным колесом (левый треугольник) и желаемым (правый треугольник).
Стороны ВС и В1С1 – это радиусы колес
Стороны АС и А1С1 –это плечи обката
Треугольник подобны, т.к. углы АСВ=А1С1В1=90гр., а углы ВАС=В1А1С1 и углы АВС=А1В1С1, т.к. угол оси поворота колес не меняется (заложен конструктивно).
Из подобия треугольников
АС/А1С1=ВС/В1С1=АВ/А1В1
ВС и В1С1 мы знаем, они равны радиусам колес.
Отсюда следует, что А1С1 во столько раз больше АС, во сколько В1С1 больше ВС. Т.е. в 601,4/596,1=1,0089 раза.
Вывод: При увеличении радиуса(диаметра) колеса, мы увеличиваем отрицательное значение плеча обката (больше уходим в минус). Это улучшает управляемость.
Но вначале я еще обратил внимание на вылет диска ЕТ.
При уменьшении значения ЕТ, колесо отдаляется от элементов подвески (сдвигается наружу). Следовательно, уменьшается значение АС на величину равную (стандартный ЕТ-новый ЕТ). Плечо обката смещается в положительную сторону, а это ухудшает управляемость.
Вывод: Уменьшение значения ЕТ (например, 40 вместо 45), мы уменьшаем отрицательное значение плеча обката, а это в свою очередь ухудшает управляемость.
Общий вывод: Для улучшения управляемости необходимо увеличить диаметр колеса и оставить (в лучшем случае, либо увеличить ЕТ (ЕТ>45). Изменение одного параметра можно частично или полностью компенсировать изменением другого.
Есть реальный пример. Товарищ Семён
Он в свое время поставил колеса с параметрами 205/45R16 и ЕТ40 (колеса ваще офигенные, мне очень нравятся).
Но с точки зрения цифр и управляемости тут совершены 2 ошибки.
1ая: диаметр колеса 205/45R16 меньше стандартного 185/65R14 (590,9мм вместо 596,1мм).
2ая: ЕТ уменьшен с 45 до 40.
Со слов владельца (уже бывшего) машина очень чувствует колейность дороги. Это подтверждает наши выводы.
Резину такую он брать не советует, якобы широка. И лучше взять 195/50R16. Но реальная причина не в ширине (мы то это уже знаем), а в диаметре колеса. Т.е. как бы сам того не зная (а может и зная), он предлагает увеличить диаметр колеса до 601,4мм, т.е. даже больше, чем стандартное 596,1мм. Получается, что еще и частично компенсировал уменьшение ЕТ.
Установка 195/50R16 вместо 205/45R16, исправляет первую ошибку и частично исправляет вторую.
Я, конечно, понимаю, что выбор ЕТ обусловлен для многих другим. Например, нравится модель диска, но нет с ЕТ45. Или хотите 205 резину, но боитесь, что будет задевать стойку, поэтому за счет уменьшения вылета выносите колесо наружу (при ЕТ40 отдаляется на 5мм, при ЕТ38 на 7мм и т.д.)
II. ДИНАМИКА АВТОМОБИЛЯ
Много раз слышал, что якобы на 16” дисках разгон никакой (вялый, ухудшился и т.д.) Типа 16” машине тяжелее вращать, чем 14”. Нет. Физический смысл не в этом. Дело тут не в массе колеса. Дело в крутящем моменте и диаметре самого колеса. Крутящий момент – это произведение силы на плечо. В данном случае плечо – это радиус колеса. Имея, например, крутящий момент на ступице 1000Нм и радиус колеса 0,25м, сила тяги составит 4000Н. Но если мы увеличим радиус колеса до 0,3м, то сила тяги составит 3300Н. А из 2 закона Ньютона а(ускорение)=F/m.
Вывод: Во сколько раз колесо больше, во столько раз меньше значение ускорения.
Так же на ощущение ухудшения динамики влияет и то, что с бОльшими колесами спидометр занижает показания. Если со стандартными колесами скорость при 3000об/мин показывает 100км/ч, то с бОльшими колесами на 10% будет показывать те же 100км/ч при фактической 110км/ч.
Честно говоря, когда садился писать, не думал, что так сложно будет пояснить свои мысли более-менее простым языком.
Спасибо, тем кто дотерпел до конца. Критика и вопросы приветствуются:)
Мой же пост с обсуждениями:
О том, какую марку и модель резины выбрать в моем БЖ
Что такое радиус плеча обкатки, и почему он важен?
Параметр подвески, о котором почти ничего неизвестно
Когда вы «возитесь» с ремонтом подвески, 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 сделать рулевое управление 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.
В результате в автомобилях с диагонально разделенными тормозными системами, если один контур выходит из строя, то оставшееся тормозное усилие на одном переднем и одном заднем колесе все равно не будут тянуть автомобиль в сторону.
Если вы меняете колеса, сменили размерность шин или провели перенастройку подвески (поставили проставки, занизили подвеску), убедитесь, что вы не забыли о такой важной вещи, как «радиус плеча». Кстати, это одна из причин, почему наше государство так жестко взялось за тюнингованные автомобили. Неумелым тюнингом можно испортить управляемость автомобиля, да так, что он станет опасным для передвижения по дорогам общего пользования.