Чувствительность к боковому ветру

Растущая изощрённость аэродинамической конструкции автомобилей в сочетании с повышенной чувствительностью к боковым ветрам, часто сопровождающей сокращения аэродинамического сопротивления, стимулировало интерес для понимания и контроля факторов, которые влияют на поведение при боковом ветре [19, 20, 21, 22]. "Чувствительность к боковому ветру" обычно относится к боковому отклику и отклику рыскания транспортного средства в присутствии возмущений от поперечного ветра, которые влияют на способность водителя удерживать транспортное средство на месте и на курсе.

Чувствительность к боковому ветру зависит от большего, чем просто аэродинамические свойства автомобиля. В литературе [19] ключевыми элементами были определены следующие:

•Аэродинамические свойства

•Динамические свойства транспортного средства (распределение веса, свойства шин и подвесок)

•Характеристики системы рулевого управления (податливость, трение и контроль крутящего момента, torque assist)

•Поведение замкнутой системы из водителя и рулевого управления и то, чему отдаются предпочтения

Поведение при боковом ветре изучается с помощью машин, оснащённых приборами, в условиях природного случайного ветра (в окружающей среде), под воздействием генераторов бокового ветра (вентиляторов, которые создают боковой ветер на экспериментальном полигоне) и на автомобильных тренажёрах. Основными переменными, представляющими интерес, являются отклик в виде рыскания, отклик в виде бокового ускорения, корректировки рулём для поддержания заданного курса и субъективные суждения шофёров-испытателей.

Хорошее поведение при боковом ветре наиболее сильно коррелирует с откликом в виде угловой скорости рыскания. Рисунок 4.27 иллюстрирует такую корреляцию, которая была получена из субъективных оценок при "переменном" боковом ветре (вентиляторы, попеременно дующие в противоположных направлениях) и реакции в виде угловой скорости рыскания [19]. Высокая степень корреляции в этих конкретных тестах показывает, что отклик в виде угловой скорости рыскания при боковом ветре почти объясняет все изменения в субъективных оценках от одного транспортного средства к другому. Другими измерениями отклика, которые хорошо коррелируют с субъективной оценкой, в порядке важности являются боковое ускорение подголовника сиденья водителя, смещение рулевого колеса и боковое ускорение.

Рис. 4.27 Связь субъективных оценок с нормированной RMS отклика в виде угловой скорости рыскания [19].

Аэродинамическим свойством первостепенного значения к чувствительности к боковому ветру является положение центра давления (center of pressure, CP) и его относительное расстояние по направлению вперёд относительно точки нейтрального управления автомобиля. Точки нейтрального управления (neutral steer point, NSP) является точкой на транспортном средстве, в которой боковая сила создаёт равные углы бокового скольжения на передней и задней осях.

CP представляет собой точку результирующего действия на транспортное средство суммарной боковой силы и откликов в виде моментов рыскания. В общем, более сдвинутые назад положения центра давления, которые ближе к NSP, минимизируют отклонения от прямолинейного движения при боковом ветре и субъективно более приемлемы. Влияние положения CP вперёд/назад видно в откликах в виде бокового ускорения трёх машин, приведённых на Рисунке 4.28. Вынесенное вперёд положение CP вызывает большой отклик в виде бокового ускорения, поскольку точка эффективного действия находится рядом с передом транспортного средства и транспортное средство сильно отворачивает от ветра. Со сдвинутым назад положением CP транспортное средство рыскает меньше и противостоит тенденции быть смещённым в сторону.

Рис. 4.28. Отклик в виде бокового ускорения на боковой ветер при изменении расположения CP [19].

В определение того, как транспортное средство реагирует на данную силу бокового ветра в игру вступают и другие динамические свойства транспортного средства. Например, распределение веса на передней и задней осях определяет расположение центра тяжести и расположение NSP. Свойства шин (например, жёсткость при движении в повороте) также влияет на расположение NSP и, следовательно, степень, в которой транспортное средство сопротивляется возмущениям углового момента рыскания от аэродинамической боковой силы.

Первая оценка чувствительности к боковому ветру может быть получена из расчёта статического отклика скорости рыскания на постоянный боковой ветер без управления рулём [19]. В статических условиях пассивный отклик транспортного средства на боковой ветер определяется по формуле:

(4-11)

где:

r = Угловая скорость рыскания

αcw = Аэродинамический угол ветра

q = Динамическое давление = ρV2/2

Cy = Коэффициент боковой силы

CYM = Коэффициент углового момента рыскания

A = Площадь лобовой поверхности

M = Масса транспортного средства

V = Скорость движения вперёд

dns = Расстояние от центра масс до точки нейтрального управления

b = Расстояние от передней оси до центра масс

L = Колёсная база

ζd = Рычаг передачи момента, пропорциональный моменту демпфирования силы рыскания шины относительно точки нейтрального управления

Cf = Эффективная общая жёсткость шин передней оси при движении в повороте

Cr = Эффективная общая жёсткость шин задней оси при движении в повороте

Как отмечалось выше, нейтральная точка управления определяет такое положение вперёд/назад точки на транспортном средстве, где внешняя боковая сила не ведёт к рысканию транспортного средства. Эта точка зависит от свойств сил шины, эластичности рулевого управления (steering system compliance), кинематики подвески и распределения веса. Числитель второго члена в правой части Уравнения (4-11) представляет собой расстояние от нейтральной точки управления до аэродинамического центра давления. Таким образом, большое расстояние между этими точками способствует чувствительности к боковому ветру.

Знаменатель в этом же члене содержит рычаг момента демпфирования силы рыскания шины. Этот член может быть увеличен для уменьшения чувствительности к боковому ветру за счёт увеличения колёсной базы или эффективной жёсткости шин при движении в поворотах.

На эффективную жёсткость шин при движении в поворотах прямое благоприятное влияние оказывается с помощью шин с высокой жесткостью при движении в поворотах и устранения эластичности в рулевом управлении или подвеске, которая позволяет транспортному средству поддаваться боковому ветру. Однако, рычаг момента сильно уменьшается при увеличении скорости движения, тем самым создавая тенденцию к увеличению чувствительности к боковому ветру при повышении скорости.

Статический анализ, рассмотренный выше, может не заметить некоторые другие динамические свойства автомобиля, которые могут влиять на чувствительность к боковому ветру. Эластичность крена, в частности, когда она приводит к эффектам кинематического увода подвески, может играть значительную роль, не включённую в упрощённый анализ. Таким образом, для более точного прогнозирования чувствительности транспортного средства к боковому ветру может быть необходим более полный анализ с использованием компьютерных моделей полной динамики транспортного средства и его аэродинамических свойств.