Быстродействующая подвеска колеса гоночного автомобиля

 

Подвеска колеса гоночного автомобиля, содержащая колесный узел, шарнирно сочлененный с рессорным устройством и посредством рычагов с корпусом снабжена антикрылом, выполненным с возможностью регулирования прижимной силы, шарнирно сочлененным с корпусом и колесным узлом, причем антикрылу придан профиль, необходимый для передачи колесному узлу доли прижимной силы, достаточной для безотрывного качения колеса, а корпусу автомобиля доли прижимной силы для компенсации снижения сцепного веса без дополнительного нагружения рессорного устройства. Технический эффект - создание гарантированного контакта колеса с дорогой без ограничения скорости движения в дозвуковом диапазоне. 8 ил.

Изобретение относится к конструкции независимой подвески колеса гоночного автомобиля.

Известна практически общепринятая система независимой подвески колес, состоящая из качающихся рычагов, шарнирно сочлененных с корпусом и узлом вращения колеса, показанная в следующих источниках: 1. "Формула 1 +" (приложение к журналу "Автомобили"), Москва, октябрь 1998, стр. 2 обложки, стр.2, 5, 26, 29, 34, 39.

2. "Авторевю", N3 (190), Москва, 1999, стр. 12, 42, 43, 44.

3. "Формула 1", февраль 1999, Москва, стр. 1 обложки, стр. 4, 12, 14, 27, 33, 45, 47, 64.

Признанные на основе практики преимущества такой схемы перед другими, известными из опыта автомобилестроения, помимо высокой копирующей способности при обкатывании продольного и поперечного дорожного профиля, состоят в сравнительно низкой неподрессоренной массе (суммарная масса колеса со всеми присоединенными к нему механизмами и деталями подвески, а также приведенная масса всех качающихся частей подвески). В условиях движения с высокими скоростями (нередко превосходящими 300 км/час) соотношение подрессоренной и неподрессоренной масс становится одним из решающих критериев качества всего автомобиля (понятие подрессоренной массы подразумевает суммарную массу всех частей полностью снаряженного автомобиля, поддерживаемых рессорами и номинальной полезной нагрузки, включая экипаж). Неподрессоренная масса является величиной, определяющей быстродействие подвески и вытекающую из него способность обеспечивать безотрывное качение колеса. Прерывистое качение колеса на высокой скорости создает угрозу для управляемости и устойчивости движения, в особенности на виражах или при порывистом боковом ветре или на мокрой дороге.

Один из распространенных вариантов рычажной подвески схематически изображен на фиг. 1. Конструктивно подвеска выполнена в виде шарнирного параллелограмма, составленного из двух рычагов (1) различной длины, предназначенных для связи колесного узла вращения (2) (включающего для направляющих колес и узел поворота) с корпусом (3). Оптимальное расположение колеса относительно дороги обеспечено различной длиной рычагов и углом их наклона. Шарниры (4) рычагов (1) на каждом из концов дублированы и разнесены вдоль автомобиля для возможности восприятия продольных нагрузок. Тягой (5) колесный узел (2) шарнирно связан с рессорным узлом, снабженным амортизатором (не показаны).

Действие всей системы основано на передаче сил реакции дороги от колеса рессоре посредством тяги (5) без потери колесом оптимального расположения относительно дороги. Функция рессоры заключена в поглощении вертикальной проекции вектора количества движения неподрессоренной массы путем замедления вертикального движения колесного узла противодействующей силой упругости на пути сжатия рессоры при непрерывном увеличении противодействующей силы и в последующем возврате колеса в контакт с дорогой по окончании поглощения. Функция амортизатора в обеспечении затухания колебаний системы. Нормальное действие подвески основано на режиме свободных колебаний с оптимальным затуханием.

Обобщенным показателем качества подвески является собственная частота колебаний, равная корню квадратному из отношения жесткости рессоры к неподрессоренной массе (см. Приложение 1). Жесткость рессоры определена как отношение приложенной силы к величине вызванной ею деформации. Значение жесткости не может выбираться произвольно и связано с подрессоренной массой автомобиля, скоростью движения, дорожными условиями и целым рядом требований виброустойчивости и прочности автомобиля в целом. Неподрессоренная масса в современных подвесках доведена до столь малых величин, что возникает проблема обеспечения достаточного запаса прочности. Поэтому практически повышение собственной частоты подвески неосуществимо в той мере, которая необходима по условиям скоростного движения. В этой связи ожидать улучшения важнейшего показателя совершенства традиционной подвески нет оснований по чисто физическим причинам.

Действие подвески нельзя рассматривать вне связи с остальными частями автомобиля, т.к. ее свойства находятся в зависимости от сил, действующих на автомобиль в целом. При высоких скоростях движения весьма существенную роль начинают играть аэродинамические силы. Для гоночного автомобиля имеет большое значение подъемная сила, возникающая на корпусе, как на наиболее протяженной части конструкции. Это явление в аэродинамике называется экранным эффектом и наблюдается в случае движения вблизи поверхности раздела сред. Он успешно используется в авиации, но для гоночного автомобиля является очень вредным благодаря ухудшению контакта колес с дорогой. Ухудшение контакта происходит от разгрузки рессор, которые рассчитаны так, чтобы поддерживать автомобиль на заданном расстоянии от дороги. При ударном характере сил реакции дороги большую роль играет начальная сила, сжимающая рессору. Этой начальной силой является реакция дороги, вызванная действием сцепного веса (доля веса подрессоренных масс, приходящаяся на колесо). Удары, воспринимаемые колесом, вызывают подскоки, высота которых будет зависеть от жесткости рессоры. При неизменной жесткости подскок будет ликвидирован рессорой тем быстрее, чем больше величина начального сжатия. Аэродинамическая подъемная сила на корпусе противодействует весу и снижает эффективное сжатие рессор в сравнении с состоянием покоя, облегчая тем самым наступление подскоков колеса, но еще до подскоков происходит снижение сцепного веса (силы воздействия на дорогу) и соответствующей реакции дороги. В результате ухудшается управляемость, устойчивость движения и эффективность торможения. С целью нейтрализации экранного эффекта применяются антикрылья, развивающие при движении отрицательную подъемную силу, называемую прижимной силой. На основе изложенного может возникнуть идея повышения прижимной силы антикрыла с целью улучшения условий противодействия подскоку. К сожалению, этот путь неприемлем. Такое повышение равнозначно увеличению весовой нагрузки, что неминуемо вызывает соответствующее сжатие рессоры. Вместе с тем, рабочий ход сжатия у рессоры ограничен и определен исходя из необходимости поглощения отдельных, особенно сильных толчков. Используя рабочий ход действием антикрыла, мы неизбежно сократим диапазон деформаций рессоры и, следовательно, приблизим момент наступления предельной деформации, что означает прекращение действия всей подвески. Помимо этого существует и чисто геометрическая причина недопустимости деформации: гоночный автомобиль имеет небольшой дорожный просвет, уменьшать который просто опасно из-за возможности задевания за дорогу. Вследствие этих причин увеличение прижимной силы требует повышения жесткости рессор, а поскольку прижимная сила растет пропорционально квадрату скорости, выполнение такого требования приводит к абсурдному результату. В этой связи прижимная сила оказывается строго ограниченной только задачей компенсации экранного эффекта.

Проблема недостаточного противодействия подскоку колеса проявляется в особенностях качения колеса с высокой скоростью, для которого роль инерционных сил тем значимее, чем выше скорость. Эти инерционные силы и вызывают ударные реакции дороги при наезде на неровности. Результат удара может проявляться двояко: колесо поднимается выше верхней точки неровности и перелетает через нее или при пологом фронте неровности не поднимается выше вершины и тогда неизбежно повторное соударение уже поднятого колеса. Таким образом может произойти несколько ударов о фронт неровности, каждый из которых сообщает колесу такое же приращение количества движения, как и однократный удар. В этой ситуации увеличение жесткости рессор вопреки ожиданиям приводит к противоположному результату - вероятность отрыва колеса от дороги повышается вследствие уменьшения высоты подскока. Данное явление дополнительно подтверждает недопустимость произвольного изменения жесткости рессор, о чем шла речь выше. Известные конструкции подвесок представляют собой разновидности механических колебательных систем, вследствие чего они обладают неустранимым свойством обеспечивать, начиная с некоторого значения скорости, свойственного конкретной конструкции, качение колеса не иначе, как в прерывистом режиме, который есть ни что иное, как начало механического резонанса. Серийные подскоки на протяженной неровности являются возмущениями, частота следования которых более близка к собственной частоте подвески, почему и происходит возрастание суммарной высоты подъема колеса. Для подвесок гоночных автомобилей, работающих в условиях специально выбранной гоночной трассы, где заведомо отсутствуют неровности с крутыми фронтами и большой высоты, наиболее вероятна именно описанная ситуация. В то же время, никакой физической возможности воспрепятствовать риску резонанса без изменения принципа действия подвески не существует. Единственная гарантия безаварийного движения это искусство гонщика, все технические средства здесь пока бессильны.

Из сказанного следует, что физические возможности повышения устойчивости контакта колеса с дорогой для подвески традиционной конструкции практически исчерпаны, т. к. ни собственная частота подвески, ни прижимная сила антикрыла не имеют реальной возможности повышения. Невозможность дальнейшего совершенствования рассмотренной системы подвески делает ее неперспективной при непрерывном повышении скоростных результатов гонок и может стать основным ограничителем их роста, что в корне противоречит самой идее автоспорта, являющегося стимулом технического прогресса.

Целью предлагаемого изобретения является создание технической возможности гарантированного непрерывного контакта колеса с дорогой без ограничения скорости движения быстродействием подвески. Цель достигнута путем принципиального изменения взаимодействия сил в конструкции подвески без изменения и исключения известных ее функций или деталей. Эффект обусловлен наложением внешней постоянной силы на силовое взаимодействие колебательного движения неподрессоренной массы, что позволяет подавить наступление резонансных явлений путем компенсации той составляющей реакции дороги, которая возбуждает свободные колебания. Конструктивно это реализуется включением в состав подвески антикрыла, известного и широко применяемого элемента гоночного автомобиля, но не входящего в число деталей противопоставляемой подвески, а действующего на нее через рессору и корпус автомобиля. В предлагаемой конструкции функции антикрыла расширены. Изменена его конструкция применительно к выполнению новых для антикрыла функций детали подвески. Конструктивные изменения предприняты с целью приведения аэродинамической прижимной силы, минуя рессору, непосредственно к колесному узлу и создания таким образом дополнительной силы, противодействующей отрыву колеса от дороги.

Прилагаются следующие поясняющие материалы: фиг. 1 поясняет устройство противопоставляемой подвески; фиг. 2 поясняет устройство предлагаемой подвески; Приложение 1 - расчетно-пояснительная записка, содержащая сравнительный анализ физических явлений в противопоставляемой и предлагаемой подвесках с обоснованием недостатков и преимуществ; фиг. 3 - расчетная схема к Приложению 1; фиг. 4 - расчетная схема к Приложению 1.

Предлагаемая подвеска колеса гоночного автомобиля схематически изображена на фиг.2 и представлена в двух вариантах, применительно к направляющему и ведущему колесам. Колесный узел (6) шарнирно сочленен с корпусом (7) при помощи аэродинамически профилированных антикрыльев (8), оснащенных концевыми шарнирами (9) и снабженных элементами регулирования (10). Колесный узел (6) шарнирно сочленен с рессорным устройством (не показано) тягой (11).

Работа быстродействующей подвески колеса гоночного автомобиля основана на следующем принципе. Главная часть неподрессоренной массы - колесный узел (6) оптимально ориентирован относительно подрессоренной массы - корпуса (7) и дороги с помощью антикрыльев (8). Аэродинамическая прижимная сила антикрыльев (8) приложена к колесному узлу (6) и корпусу (7), т.е. к неподрессоренной и подрессоренной массам, через концевые шарниры (9) в оптимальном соотношении, которым обеспечены безотрывность качения колеса и компенсация подъемной силы на корпусе автомобиля без перегрузки рессорного устройства, что достигнуто путем применения переменного аэродинамического профилирования по длине антикрыльев (8). Прижимная сила антикрыльев (8) настроена в соответствии с условиями движения посредством элементов регулирования (10). При этом все функции подвески, свойственные известным конструкциям, оставлены без изменений. Этим принципом обеспечена независимость быстродействия подвески от ее частотных свойств (см. Приложение 1).

Важнейшие качества предлагаемой конструкции: - прижимная сила, приложенная к корпусу, может быть выбрана оптимальной с точки зрения компенсации экранного эффекта без дополнительного нагружения рессор; - возможность гарантированного безотрывного качения колеса; - независимость существования эффекта безотрывного качения колеса от собственной частоты подвески;
- подвеска не имеет принципиального ограничения верхнего значения скоростного диапазона в дозвуковой области.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить необходимое быстродействие подвески без изменения ее известных функций во всем диапазоне реально достижимых скоростей гоночных автомобилей. С точки зрения практического применения предлагаемой конструкции важным качеством является отсутствие необходимости вносить изменения в конструкцию элементов существующих подвесок или изменять их технические параметры, поскольку реализация предлагаемого принципа возможна путем простого дополнения описанным антикрылом реально существующей конструкции. Признаком, без которого эффект совершенно недостижим, является наличие не менее чем одного описанного антикрыла в составе подвески.

Ни одна из известных автору систем подвесок не обладает ни одним из перечисленных качеств.

Приложение 1
Расчетно-пояснительная записка к описанию изобретения "БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ ПОДВЕСКА КОЛЕСА ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ"
Предположим, что автомобиль полной массой М=600 кг на 4-х колесах, неподрессоренная масса каждого из которых m=20 кг, движется со скоростью V=100 м/с (360 км/час) и встреченная одним колесом дорожная неровность имеет фронт с уклоном 1: 100, протяженность до наивысшей точки L=5 м и спад с таким же уклоном. При обкатывании колесом неровности под воздействием силы реакции со стороны препятствия в соответствии с рельефом дороги изменяется направление вектора количества движения неподрессоренных масс. Описываемая ситуация имеет место при любых скоростях движения, нас же интересует эффект обкатывания на большой скорости, имеющий некоторые особенности.

Для описания влияния скорости движения на процесс обкатывания необходимо учесть инерционные силы во взаимодействии колеса с дорогой. Рассмотрим начало качения по фронту неровности, полагая, что непосредственно перед ним колесо катится без скольжения по горизонтальной плоскости с постоянной скоростью V. Допустим, что колесо и дорога представляют собой абсолютно упругие тела, т. е. не имеющие внутреннего трения, остаточных деформаций и подчиняющиеся закону Гука во всем диапазоне возможных деформаций. Процесс приближения окружности колеса к поверхности фронта можно описать, как показано на фиг. 3, разложив вектор количества движения mV на две составляющие: -mv_n, нормальную к поверхности фронта, и mv_t, касательную к той же поверхности. Наибольший интерес представляет нормальная составляющая, поскольку скорость -v_n= -V sinα (далее для упрощения рассуждений примем для малого угла уклона, sinα = tgα = α в радианной мере) является наименьшей скоростью сближения окружности колеса с поверхностью фронта по кратчайшему пути. В момент касания начинается качение по наклонной плоскости и одновременно нормальная составляющая количества движения -mv_n начинает встречать сопротивление упругости дороги, являющееся реакцией дороги p_i, порожденной силой инерции движущейся массы. Качение сопровождается действием нормальной к поверхности составляющей сцепного веса, порождающего соответствующую реакцию дороги p_w. Следовательно, к колесу приложены две реакции различной природы: весовая p_w и инерционная p_i. Вектор p_w при установившемся движении величина постоянная, в то время как вектор p_i пропорционален скорости движения v_n центра массы m. Этим обстоятельством и объясняется особенность обкатывания неровности колесом на высоких скоростях. С ростом скорости увеличивается доля инерционной составляющей и реакция дороги растет пропорционально скорости движения при постоянстве весовой составляющей. Другой особенностью является конечное время действия инерционной составляющей. Процесс поглощения количества движения движущейся массы состоит в энергетическом переходе: кинетическая энергия массы преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации двух соударяющихся тел, а по окончании полного перехода происходит обратное преобразование энергии, в результате которого движущаяся масса приобретает противоположно направленное количество движения прежней величины и тела восстанавливают первоначальную форму. На этом процесс, называемый упругим ударом, заканчивается. Время протекания процесса зависит от коэффициентов упругости (коэффициент упругости определим как отношение деформации к вызвавшей ее силе) соударяющихся тел и скорости сближения и не может быть нулевым по определению. На момент завершения упругого удара масса m уже имеет нормальную к поверхности фронта скорость v_c, вызванную импульсом весовой реакции p_w за время качения по наклонной плоскости, а также дополнительную скорость v_n, вызванную силами упругости соударяющихся тел. Результирующая скорость движения массы по нормали к фронту составит v = v_c+v_n= V2tgα, которую в силу малости угла уклона можем с пренебрежимой погрешностью считать вертикальной проекцией скорости движения массы колеса, приобретенной в результате столкновения с фронтом. Теми же векторами в другом масштабе изобразятся и проекции измененного вектора количества движения. Измененный вектор количества движения будет направлен под углом относительно оси абсцисс

Иначе говоря, угол встречи равен углу отражения. Таким образом, проекция на ось ординат измененного вектора количества движения неподрессоренной массы будет:
mv = mV2tgα, (1)
где v - вертикальная скорость, сообщенная неподрессоренной массе m, м/с.

В действительности абсолютно упругих тел не существует, тем более этим свойством не обладает, даже приближенно, автомобильное колесо. В реальных телах некоторая часть кинетической энергии удара рассеивается в виде тепла и расходуется на остаточную деформацию в случае достаточно больших напряжений, превосходящих предел упругости. Но, полученный результат принципиально иллюстрирует условия встречи с неровностью и эффекты скоростного движения. В данном случае произошло нарушение контакта колеса с дорогой, что ясно из направления измененного вектора количества движения, угол которого вдвое больше угла уклона. Условимся называть это явление подскоком. Вопрос теперь в том, когда восстановится контакт с дорогой. Необходимо рассмотреть процесс поглощения количества движения неподрессоренной массы рессорой, которую для простоты анализа представим в виде пружины, соосной с вертикальным вектором (см. фиг. 3). Если положить величину рабочего хода подвески вверх и вниз от точки равновесия h = 100 мм, то можно оценить требуемую жесткость k рессоры (определим жесткость, как величину, обратную коэффициенту упругости) в предположении линейной упругой характеристики:

где M_под = M - 4m - масса подрессоренных частей автомобиля, кг;
g - ускорение земного тяготения 9,81 м/с²;
h - сжатие рессоры под действием силы тяжести - рабочий ход подвески от свободного состояния до точки равновесия, м.

Необходимо пояснить, что эта оценка является первичной и в реальной конструкции подвергается коррекции в соответствии с многочисленными требованиями, предъявляемыми к автомобилю. В итоге жесткость рессор оказывается связанной с большим количеством свойств автомобиля и по этой причине должна рассматриваться как некоторая постоянная для данной конструкции величина. Во всяком случае, произвольное изменение жесткости рессор недопустимо.

На основании теоремы о количестве движения
mv = Ft,
где F - средняя сила противодействия рессоры, H;
t - время поглощения количества движения mv, с.

На участке деформации λ рессоры происходит поглощение количества движения mv, поэтому путь, на котором происходит убывание скорости до нуля за время t, по величине равен сжатию рессоры. Зная массу и среднюю силу противодействия F = kλ/2, определим (опуская знаки) среднюю скорость на ходе поглощения

где v - приобретенная при отскоке суммарная вертикальная скорость, м/с;
λ - сжатие рессоры, м;
t - время поглощения количества движения, с;
k - жесткость рессоры, Н/м;
на основании чего
mv = kλt, (2)
после замены v = 2λ/t


и окончательно


Вычислено: t = 5,6·10^-2 с, λ = 5,6·10^-2 м; по условию высота неровности составляет 5,0·10^-2 м.

Величина сжатия рессоры очень показательна: рессора данной жесткости, вычисленной на основании весовых характеристик автомобиля, не в состоянии предотвратить отрыв колеса от дороги. Величина подскока превышает высоту неровности в результате только соударения с неровностью, в самом начале ее обкатывания, причем за время поглощения количества движения неподрессоренной массы автомобиль проходит путь Vt = 5,6 м с поднятым колесом. До восстановления контакта колеса с дорогой еще должна пройти стадия возврата, требующая такого же времени, какое было затрачено на погашение рессорой количества движения от соударения с фронтом неровности. Здесь мы не учитываем полностью свойств реальной конструкции, обязательно включающей амортизатор, предназначенный для противодействия резонансу колебательной системы колесо - рессора и всегда замедляющий возврат колеса для предотвращения упругого подскока. Такое упрощение приводит к заниженному результату при вычислении времени возврата, в реальной конструкции оно будет еще больше, т.к. амортизатор оказывает наибольшее сопротивление именно на обратном ходе подвески. Но, анализ работы амортизатора не требуется для иллюстрации физической картины явления и является только ее уточнением.

Таким образом, в данном примере показано, что обкатывания неровности не происходит и колесо остается оторванным от дороги на протяжении 11,2 м пути, хотя длина пологой неровности по условию составляет 10 м.

Возникает вопрос, нельзя ли сократить время поглощения количества движения неподрессоренной массы путем повышения жесткости рессоры? Из рассмотрения (4) видно, что для сокращения времени вдвое необходимо увеличить жесткость в 4 раза, сократив таким образом рабочий ход подвески до 25 мм, что совершенно недопустимо даже для грузового автомобиля, не говоря уже о гоночном. Недопустимость повышения жесткости ясна из сказанного выше, а кроме того, снизив ход поглощения до величины меньшей, чем высота неровности, мы создадим условия для повторного соударения с фронтом, в то время как колесо еще в поднятом положении, в результате чего произойдет суммирование высот подъема и общее время бесконтактного движения только возрастет (см. фиг.3). Продолжение этих рассуждений неизбежно приводит к выводу о том, что умножение числа соударений с фронтом может стать причиной очень опасной внезапной потери управляемости на высокой скорости. Такие случаи нередки и при обычном дорожном движении, когда автомобиль с жесткой подвеской разгоняют до недопустимой для него по условиям дороги скорости. Отсюда следует общий для всех подвесок вывод: чем выше скорость движения, тем важнее поддержание постоянства контакта колеса с дорогой. В противном случае движение может стать неуправляемым.

Весьма важно обратить внимание на то, что весь процесс от подскока колеса до его возврата представляет собой полупериод свободного колебания, длительность которого определяется только неподрессоренной массой и жесткостью рессоры и не зависит от внешних сил. Это и есть величины, определяющие собственную частоту подвески или критерий ее быстродействия. В данном случае полупериод собственных колебаний, составляющий удвоенное время поглощения количества движения отскока, равен 0,112 с, следовательно собственная частота подвески равна 4,46 Гц. Возможность серийных соударений с пологим фронтом заставляет более внимательно рассмотреть это явление. Из общих соображений, высказанных выше, следует, что суммирование высот подъема колеса от каждого соударения может произойти при определенных условиях: сочетание скорости, времени поглощения количества движения, высоты подъема колеса и угла уклона должно быть таким, чтобы удар происходил на положительном полупериоде колебания (поднятое колесо). Таким образом мы описали случай совпадения фаз свободного колебания и возмущения. Это условие возникновения резонанса колебательной системы любого типа. Подвеска в целом представляет собой механическую колебательную систему, а ее собственная частота есть частота резонанса. Необходимым условием возникновения резонанса является серийность возмущений, от одиночного возмущения резонанс не возникает. Совпадение фаз свободных колебаний и возмущающих импульсов плюс превышение возмущающей силой механических потерь в колебательной системе является достаточным условием резонанса. Вполне понятно, что за время гонок такие условия могут возникать многократно, если характер неровностей и свойства подвески благоприятствуют возникновению многократных ударов о фронт неровности. Устранить резонансные свойства колебательной системы невозможно принципиально. Речь может идти только об ограничении проявлений резонанса путем введения затухания свободных колебаний с помощью амортизатора, что и делается в любой реальной конструкции. Однако, возможности противостоять резонансу очень ограничены и сводятся главным образом к поглощению импульса силы на обратном ходе рессоры. По этим причинам резонанс является неотъемлемым свойством всех известных подвесок и должен рассматриваться как реальная опасность.

Общим условием неразрывности контакта колеса с дорогой является неравенство собственной частоты колебаний подвески и частоты возмущающих воздействий дороги, а также оптимальная жесткость рессоры. Вообще говоря, резонансная частота должна быть как можно дальше от частоты дорожных возмущений. Применительно к рассматриваемому примеру, где речь идет об одиночной неровности, возможно только оценить граничное значение вертикальной проекции количества движения, при котором еще не происходит отрыва, а затем выйти на требуемую собственную частоту подвески. Очевидно, при высоте неровности δ = Ltgα граничными условиями безотрывного движения колеса по фронту неровности будут:

Из формулы (4) следует время поглощения импульса t = 5,29 · 10^-2 с, следовательно происходит обкатывание фронта и отрыв после прохождения вершины. Колесо вернется к дороге через 5,58 м после вершины неровности. Для достижения такого скромного результата требуется снизить неподрессоренную массу на 10%, тогда собственная частота составит 4,72 Гц. С точки зрения конструирования такое снижение неподрессоренной массы очень затруднительно, т. к. уже сейчас применяются самые современные материалы, а запас прочности подвески доведен до опасного предела. Поэтому никаких реальных возможностей обеспечить безотрывность качения в данном примере нет.

Обязательным элементом современного гоночного автомобиля, помимо независимой подвески колес, является антикрыло, предназначенное для компенсации аэродинамической подъемной силы, возникающей на корпусе автомобиля за счет экранного эффекта дороги. Несмотря на то, что антикрыло не имеет отношения к конструкции подвески, все же целесообразно рассмотреть его функцию с точки зрения поддержания контакта колеса с дорогой. Присутствие антикрыла способствует сохранению контакта с дорогой за счет создания дополнительной прижимной силы, препятствующей разгрузке рессорного устройства и сохраняющей таким образом начальную упругую силу возврата колеса к дороге, но не увеличивающей ее. Для того чтобы увеличить силу начального сжатия рессор потребовалось бы компенсировать их деформацию увеличением жесткости, иначе будет выбран весь рабочий ход подвески и она перестанет выполнять свои функции. Очевидно, что подобное решение неприемлемо по причинам, указанным выше. Роль начального сжатия рессоры легко уяснить из формулы (2), если изменять параметр λ и решать уравнение относительно начальной скорости v подскока неподрессоренной массы m:

Из анализа данного выражения следует, что чем больше статическое сжатие рессоры, тем большая начальная скорость при прочих равных условиях требуется для возникновения отскока, а это полезно для безотрывного обкатывания рельефа. Но, возможности использования данной закономерности для снижения вероятности отрыва колеса от дороги отсутствуют в связи с принципиальной неустранимостью инерционных сил, передаваемых рессоре и неизбежной зависимостью от рабочего хода рессоры, который и так меньше, чем у грузовика. Тем не менее, необходимость поддержания величины статического сжатия рессоры вполне очевидна. Возможности же наращивания прижимной силы антикрыла оказываются строго ограниченными.

Все перечисленные обстоятельства совместно обусловливают технический предел достижимой скорости движения, превышение которого угрожает тяжелыми последствиями для гонщиков.

Показанные в примерном расчете технические возможности существующих подвесок колес гоночных автомобилей можно считать предельными в описанной условиями ситуации для традиционной конструкции и нет оснований ожидать значительного повышения быстродействия подвески на этом пути.

Целью предлагаемого изобретения является принципиальное изменение силовых взаимодействий в подвеске колеса для повышения ее быстродействия и вытекающей из него способности копировать рельеф дороги. При этом полностью сохраняются все функции, выполняемые известными конструкциями подвесок в автомобиле в целом.

Представим себе, что в состав подвески внесено антикрыло, которое на своих концах имеет шарниры, подобные шарнирам традиционных рычагов. Своими концевыми шарнирами антикрыло сочленено с корпусом и колесным узлом точно так же, как рычаги подвески. Прижимная сила антикрыла распределена по концевым опорам и таким образом приложена как к корпусу, так и к колесу. Все функции антикрыла и деталей подвески остались без изменений, но одна из концевых сил антикрыла создала на оси колеса новую силу T, направленную вертикально вниз (см. фиг.4).

Поставим цель поглотить импульсом этой силы количество движения, вызванное упругим ударом. По условию, вытекающему из (1), для безотрывного качения необходимо поглотить количество движения mv_n:
mVtgα = Tτ,
откуда

Постоянная сила T, приложенная к массе m, за время действия преодолевает постоянное ускорение a_n, являющееся проявлением инерции массы. Если бы колесо было оторвано от дороги, результатом было бы возрастание количества движения отскока благодаря появлению от действия силы T дополнительной скорости сближения с фронтом, но до встречи с фронтом колесо катится по горизонтальному участку и приобретенное массой m ускорение -a_n порождает силу реакции дороги, подобную по природе реакции сцепного веса. Ускорение массы есть, но скорость равна нулю из-за невозможности движения вниз, следовательно равно нулю и соответствующее количество движения. Точно таким же образом действует ускорение силы тяжести.

Для безотрывности качения необходимо, чтобы стартовая точка, соответствующая начальной скорости отскока v_n, не оторвалась от фронта. Значит, на любом отрезке пути вдоль ординаты должно выполняться условие равенства начальной скорости отскока скорости возврата под действием силы T

Условие достаточности будет выполнено, если на всем пути движения по наклонной плоскости фронта будет выполнено условие необходимости. На основании равенства имеем право выразить время гашения скорости через известные условия движения:

где L - расстояние от начала фронта неровности до ее наибольшей ординаты, м,
V - скорость движения, м/с.

В результате имеем уравнение связи прижимной силы с условиями движения, являющееся необходимым и достаточным условием безотрывности качения:

До сих пор мы не учитывали действия рессоры в общем силовом равенстве, руководствуясь внешними силами. Если безотрывное качение обеспечено действием силы T, то мы вправе полагать, что сжатие рессоры будет обусловлено только обкатыванием профиля неровности, имеющей высоту δ = Ltgα. Зная жесткость рессоры, определим амплитудное значение силы противодействия:
F₁= kLtgα, (10)
которая будет нарастать линейно от нуля за время τ и поглощать количество движения mv_c

или с учетом (10)

Следовательно, без ущерба для безотрывности можем записать, с учетом действия рессоры:

откуда

или, на основании (8):

где T - прижимная сила антикрыла подвески, Н;
m - неподрессоренная масса, кг;
V - скорость движения, м/с;
L - расстояние по горизонтали от начала фронта неровности до вершины, м;
k - жесткость рессоры, Н/м;
α - угол уклона фронта неровности, рад.

В конкретных условиях примера вычисленное значение прижимной силы, гарантирующее безотрывное качение одного колеса, составляет T = 162,4 Н. В традиционной конструкции подвески, взаимодействующей с антикрылом, установленным на корпусе, для достижения такого же эффекта потребовалась бы прижимная сила, которая полностью выберет рабочий ход подвески и лишит ее возможности поглощать дорожные толчки. Очевидно, что показанный выше эффект безотрывности принципиально недостижим в традиционной конструкции даже при наличии всем известного антикрыла на корпусе. Весь эффект от применения антикрыла сводится к повышению сцепного веса и то в очень ограниченном диапазоне величин и без заметного влияния на колебания подвески. В условиях многократных подскоков, к которым склонна жесткая подвеска, повышение сцепного веса не дает результата и теряет смысл.

С точки зрения противодействия резонансу прелагаемая конструкция предоставляет радикальную меру - подавление самой возмущающей силы. Само собой разумеется, подвеска не лишена резонансных свойств и они по-прежнему нежелательны, но условия возникновения резонанса нарушены, что и требуется.

Рассмотрим теперь действие другой возмущающей силы p_w, порожденной сцепным весом. Обкатывание неровности вызывает вертикальную скорость v_c= Vtgα, следовательно неподрессоренная масса приобрела соответствующее количество движения, направленное вверх. Для колебательной системы это такое же возмущающее воздействие, как и подскок от инерционных сил. Разница в физической картине состоит в том, что в случае обкатывания неровности колебания не являются свободными, они вынужденные благодаря действию сцепного веса, заведомо превышающего силу противодействия рессоры, вызванную обкатыванием неровности. Следовательно, резонанс возможен только в случае существования регулярных неровностей, встречаемых колесом с частотой, близкой или кратной собственной частоте подвески, которая составляет, напомним, 4,46 Гц. Этому условию соответствует непрерывная серия возмущений, поскольку резонанс развивается не мгновенно, а только после того, как произойдет согласование фаз колебаний и возмущений. Иными словами, движение с заданной условием примера скоростью должно происходить по трассе, имеющей регулярные неровности. Такими свойствами может обладать только специальная испытательная трасса на автодроме, называемая "стиральной доской". Но, даже предположив такие условия, необходимо учитывать кинематическое возбуждение колебаний, которое существует благодаря сцепному весу, а это означает именно безотрывность качения. Опасность резонанса при вынужденных колебаниях состоит не в потере контакта с дорогой, а в разрушении автомобиля. Резонансные амплитуды колебаний и происходящие при этом изменения свойств колебательной системы приводят к передаче на корпус автомобиля больших периодических сил, могущих стать причиной аварии. Если же предполагать отсутствие регулярных неровностей, что на самом деле соответствует качествам гоночной трассы, то условий для вынужденного резонанса нет. Действие прижимной силы будет продолжаться вплоть до скорости звука, когда возможно резкое падение прижимной силы и рост сопротивления движению, правда такая ситуация носит гипотетический характер для представления предела рассмотрения эффекта.

Ранее была показана необходимость поддержания сцепного веса с помощью антикрыла. Эта функция антикрыла не может быть аннулирована, как явствует из изложенного. Но, вместе с тем, возникает противоречащее требование ограничить величину этой силы во избежание передеформации рессор. В предлагаемой конструкции доля прижимной силы, приложенной к корпусу, может быть доведена до необходимой величины за счет профилирования антикрыла с таким расчетом, чтобы на корпус передавалась сила, достаточная для компенсации экранного эффекта, но не вызывающая дополнительного нагружения рессор, а остальная часть прижимной силы прилагалась бы к колесному узлу. Такое профилирование является обязательным конструктивным признаком. Исключение его приводит либо к невоспроизводимости гарантированного контакта колеса с дорогой вследствие нарушения условия (11), предполагающего неизменность жесткости рессор, либо к недопустимому дополнительному нагружению рессор, лишающему конструкцию одного из полезных качеств.

Формула связи (11) параметров подвески и условий движения с прижимной силой антикрыла позволяет описать условия безотрывности качения, если известны характеристики дороги. В реальных условиях можно довольствоваться только среднестатистическими характеристиками дороги, которые в принципе не дают необходимой информации о каждой неровности. Вместе с тем, даже на основе таких данных возможно гарантировать безотрывность качения, если обеспечить некоторый запас прижимной силы при начальной настройке антикрыла на пробных заездах.

Ясно, что пока подвеска обеспечивает безотрывное качение колеса, в применении аэродинамических сил нет никакого смысла. Необходимо выбрать физический критерий начала подскоков колеса, чтобы на его основе можно было принимать решение о регулировании. Из описания физической картины процесса следует, что при недостаточном противодействии подскоку могут наблюдаться повторные соударения колеса с фронтом неровности. Это явление хорошо заметно по появлению вибраций более высоких частот, чем средний шумовой фон, даже на обычном автомобиле на некоторой скорости движения. Дополнительным, если не главным, признаком является поведение автомобиля, прежде всего управляемость. Если антикрыло снабжено элементами регулирования прижимной силы, появляется возможность на пробных заездах так подобрать прижимную силу, чтобы исключить опасный режим движения на конкретной гоночной трассе. Следовательно, само наличие такой возможности регулирования является обязательным признаком конструкции, отказ от которого делает эффект ограниченно воспроизводимым на основе информации, содержащейся в формуле изобретения.

Формула (11) содержит величины, определяющие частотные свойства подвески, но при этом величина прижимной силы является их функцией и поддается регулированию средствами аэродинамики, следовательно, приняв значения m и k как исходные данные, мы имеем возможность получить эффект с учетом этих величин. Отсюда следует важнейшее свойство конструкции: независимость существования эффекта от собственной частоты подвески.

Рост скорости будет увеличивать прижимную силу пропорционально квадрату скорости, что следует из законов аэродинамики. Такая же зависимость требуется по условию безотрывности, выраженному формулой (11). Отсюда следует саморегулирование противодействия подскоку, вытекающее из принципа действия предлагаемой подвески. Вопрос о степени воздействия саморегулирования относится к проблемам аэродинамики и мы его не станем рассматривать. Величина же инерционной реакции дороги, как мы видим из анализа, пропорциональна первой степени скорости, следовательно предлагаемая подвеска не имеет принципиального ограничения верхнего значения скоростного диапазона, по крайней мере в области дозвуковых скоростей и гарантированно обеспечивает безотрывное качение колеса принципом действия. Ограничивающим фактором является прочность деталей и прежде всего прочность узла вращения колеса и самого колеса, как деталей, которые непосредственно воспринимают ударную реакцию дороги, но эти вопросы также не относятся к данному изобретению.

Важнейшие качества предлагаемой конструкции:
- прижимная сила, приложенная к корпусу, может быть выбрана оптимальной с точки зрения компенсации экранного эффекта без дополнительного нагружения рессор;
- возможность гарантированного безотрывного качения колеса;
- независимость существования эффекта безотрывного качения колеса от собственной частоты подвески;
- подвеска не имеет принципиального ограничения верхнего значения скоростного диапазона в дозвуковой области.

С точки зрения практического применения предлагаемой конструкции важным качеством является отсутствие необходимости вносить изменения в конструкцию элементов существующих подвесок или изменять их технические параметры, поскольку реализация предлагаемого принципа возможна путем простого дополнения описанным антикрылом реально существующей конструкции.

Ни одна из известных систем подвесок не обладает ни одним из перечисленных качеств.

Формула изобретения

Быстродействующая подвеска колеса гоночного автомобиля, содержащая колесный узел, включающий колесо с подшипниками, деталями крепления и механизмами, шарнирно сочлененный с рычагами и со снабженным амортизатором рессорным устройством, шарнирно сочлененными с корпусом, отличающаяся тем, что она снабжена антикрылом с шарнирами на концах, соединенными с подрессоренной и неподрессоренной массами, выполненным с возможностью регулирования прижимной силы, причем антикрылу придан профиль, необходимый для приложения к неподрессоренной массе доли прижимной силы, достаточной для безотрывного качения, а к подрессоренной массе доли прижимной силы, достаточной для полной компенсации снижения сцепного веса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4